This investigation aims to identify the possible mental models presented by the students of the degree in chemistry at the Universidad Federal de Sergipe (UFS), about the contents of chemical equilibrium as well as understand the elements and paths used by licenciandos in the construction of their mental models and how the recognition of these assist in the process of both the conceptual formation of licenciandos, as in teaching. The survey was developed with licenciandos of two different classes of chemistry course degree from the institution, supervised internship for the chemistry teaching and methodology and instrumentation for teaching of chemistry in semesters of 2012/2 2013/2 respectively, and accounting for 47 out of a total of licenciandos 60 licenciandos enrolled. In This research to discover the possible mental models formed by licenciandos in an attempt to explain a given phenomenon or situation, sought through a given situation of balance, understanding how occurs for the understanding of scientific concepts by licenciandos and through the explanations given to the phenomenon observed, identify the possible mental models through the interpretation of the data obtained and of the models cast by licenciandos In addition to understanding the paths used for the construction of these possible mental models. The theoretical framework adopted is the Model theory with Metals Moreira (1996) and of the assumptions adopted by Just (2010) in understanding the different types of models, including the mental models, which are of fundamental importance for the development of the teaching and learning process. The theory of mental models, generally proposes to study the cognitive of individuals, namely how human thinking works and develops its reasoning, and therefore, a mental model is one of the forms of representation from reality produced from personal interpretations between the scientist and the phenomenon studied. The survey was conducted with the assumption the qualitative methodology, where are present the exploratory approach and the case study. The data of this research were built from the questionnaires of texts produced by the licenciandos and the audio and video recordings made by prior permission granted via consent form signed by the respondents. The results obtained reveal the difficulties of licenciandos in understanding the theory of chemical equilibrium and consequently the establishment of mental models close to explain a scientific phenomenon, showing mental models relatively simple, well close to the mental models expressed by middle school students (MACHADO and ARAGÃO, 1996), which brings us to the hypothesis of the research in teaching are not being contemplated to improve the training of teachers In addition to identifying cognitive problems involving the licenciandos. We conclude also that mental models can serve as a foundation to build or adapt teaching and learning strategies on the basis of previous students mental models, enabling a better conceptual understanding. / Esta investigação tem como objetivo identificar os possíveis modelos mentais apresentados pelos estudantes da licenciatura em Química da Universidade Federal de Sergipe (UFS), sobre o conteúdo de Equilíbrio Químico bem como, compreender os elementos e caminhos utilizados por esses licenciandos na construção de seus modelos mentais e como o reconhecimento desses auxiliam no processo tanto da formação conceitual dos licenciandos, quanto na pedagógica. A pesquisa foi desenvolvida com licenciandos de duas diferentes turmas do curso de Química licenciatura da instituição, Estágio Supervisionado para o Ensino de Química e Metodologia e Instrumentação para o Ensino de Química, nos semestres de 2012/2 e 2013/2 respectivamente, contabilizando 47 licenciandos de um total de 60 licenciandos matriculados. Nesta pesquisa averiguamos os possíveis modelos mentais formados pelos licenciandos na tentativa de explicar um dado fenômeno ou situação, buscou-se através de uma determinada situação de equilíbrio, entender como ocorre à compreensão dos conceitos científicos pelos licenciandos e através das explicações dadas ao fenômeno observado, da interpretação dos dados obtidos e dos modelos expressos pelos licenciandos, identificar os possíveis modelos mentais, e ainda compreender os caminhos utilizados para a construção desses possíveis modelos mentais. O referencial teórico adotado é a Teoria dos Modelos Metais interpretada por Moreira (1996) e dos pressupostos adotado por Justi (2010) na compreensão dos diferentes tipos de modelos, incluindo os modelos mentais, que são de fundamental relevância para o desenvolvimento do processo de ensino e aprendizagem. A Teoria de Modelos Mentais, de forma geral se propõe a estudar o cognitivo dos indivíduos, ou seja, como o pensamento humano trabalha e desenvolve seus raciocínios, portanto, um modelo mental é uma das formas de representação da realidade produzida a partir das interpretações pessoais entre o cientista e do fenômeno estudado. A pesquisa foi realizada tendo como pressuposto a metodologia qualitativa, onde estão presentes a abordagem exploratória e o estudo de caso. Os dados desta pesquisa foram construídos a partir dos questionários, dos textos produzidos pelos licenciandos e das gravações em áudio e vídeo, feitas mediante autorização prévia concedida via termo de consentimento assinados pelos pesquisados. Os resultados obtidos nos revelam as dificuldades dos licenciandos em compreender a Teoria do Equilíbrio Químico e consequentemente no estabelecimento de modelos mentais próximos do científico para explicar um fenômeno químico, apresentando modelos mentais relativamente simples, bem próximos dos modelos mentais expressos por alunos do ensino médio (MACHADO e ARAGÃO, 1996), o que nos leva a hipótese das pesquisas em ensino não estarem sendo contempladas para a melhoria da formação desses professores, além de identificarmos problemas de ordem cognitiva envolvendo os licenciandos. Concluímos também que os modelos mentais podem servir de fundamentação para construir ou adaptar estratégias de ensino e aprendizagem com base nos modelos mentais prévios dos estudantes, possibilitando uma melhor compreensão conceitual.

O presente trabalho começa por uma apresentação monográfica do fenômeno de adsorção, que dá acesso à bibliografia existente sobre o assunto. Numa extensa parte experimental desenvolveu-se um eletrodo de amálgama gotejante e um eletrodo de gota pendente mercúrio capaz de gerar gotas com área reprodutível dentro de ± 0,1%. Fez-se, também, a implantação da técnica da cronocoulometria, com os recursos disponíveis neste Instituto de Química. Realizou-se um estudo polarográfico preliminar onde se observaram diversos efeitos inibitivos sobre a reação de eletrodo do Cd(II), ligados á presença dos fenantrolino complexos de Cd(II) e de Fe(II), com participação de ânions. O sistema cádmio(II)/piridina/cloreto foi estudado potenciometricamente, tendo sido avaliadas as seguintes constantes globais de estabilidade βij = ‌CdpyiClj‌/‌Cd‌ ‌py‌ i‌Cl‌j (i, número de ligantes piridina, e j, de cloreto): β01 = 25,36, β02 = 96,0, β03 = 48,3, β04 = 65,8, β10 = 23,5, β11 = 550, β12 = 2600, β13 = 550, β14 = 1100, β20 = 690, β21 = 9740, β22 = 9400, β30 = 270, β31 = 3500, β32 = 37400, β40 = 8450, β41 = 54400. Para chegar às constantes de equilíbrio usou-se um processo iterativo de cálculo. As medidas foram realizadas com um eletrodo de amálgama gotejante, após comprovar-se que o eletrodo íon-seletivo de cádmio de estado sólido é inadequado para esta finalidade. Empregou-se um novo tipo de diagramas para representar a contribuição percentual das espécies formadas, em função dos dois ligantes. Estudou-se, através da cronocoulometria, a adsorção do sistema Cd(II)/py/Cl-, em diversas condições, fixando a concentração do metal e do cloreto e variando-se a concentração de py. Ficou estabelecido que a adsorção dos complexos é um processo competitivo com a dos ligantes. Há sempre um máximo de adsorção na faixa de 0,1 a 0,5 M de py. Encontraram-se evidências de que as espécies mistas neutras são preferencialmente adsorvidas. / The present thesis starts with the monographic discussion of the adsorption phenomena, with several references. There is an extensive experimental part referred to the development of a simple dropping amalgam electrode, a hanging mercury drop electrode whose area is reproductible within 0,1%, and the introduction of the double step chronocoulometric method w1th the resources of this Chemistry Institute, was done. In a preliminary polarographic study, several inhibiting effects on the Cd(II) electrode reaction, due to the presence of cadmium(II) and iron(II) complexes of phen participation of some anions has been observed. A potentiometric study of the cadmium(II)/pyridine//chloride system lead to the evaluation of the overall stability, βij = ‌CdpyiClj‌/‌Cd‌ ‌py‌ i‌Cl‌j (i, number of py ligands and j of chloride ones): β01 = 25,36, β02 = 96,0, β03 = 48,3, β04 = 65,8, β10 = 23,5, β11 = 550, β12 = 2600, β13 = 550, β14 = 1100, β20 = 690, β21 = 9740, β22 = 9400, β30 = 270, β31 = 3500, β32 = 37400, β40 = 8450, β41 = 54400. To obtain the equilibrium constants from the experimental data, an iterative calculation process was used. The measurements has been made with an amalgam electrode, after unsucessfull tests with a solid state cadmium ion selective electrode. A new type of diagram was used to present the percent distribution of the species with the change in the concentration of the ligands, in substitution to the predominance area diagram. In add1tion, the chronocoulometric study of the Cd(II)/ /py/Cl- system was done at several experimental conditions, by fixing the concentration of the metal and the chloride, and changing in wide extension the pyridine concentration. The adsorption of the complexes is a competitive process with the free ligands, and allways exhibits a maxima between .1 and .5M pyridine. There are strong evidences indicating that the neutral mixed species are preferabbly adsorbed.

Este trabalho apresenta uma reflexão sobre o papel do princípio de Le Chatelier desde a sua criação e algumas implicações no ensino de química. Foram levantados aspectos históricos da evolução do princípio com o objetivo de discutir características como, por exemplo: o caráter universal do mesmo, problemas e limitações quanto à sua aplicação e possíveis alternativas ao uso do princípio. Também foram analisados como os livros didáticos de química no nível médio tratam muitos destes aspectos. Além disto, é realizada uma discussão nestes textos didáticos a respeito das variáveis que influenciam no estado de equilíbrio tais como: concentração, pressão, catalisador e temperatura. Um aspecto presente na análise destas variáveis foi o levantamento de ilustrações presentes nos livros baseando-se nos níveis de representação presentes no triângulo de Johnstone. Os principais resultados mostraram que os autores de livros de Química do Ensino Médio apresentam o conceito do princípio de Le Chatelier marcado por um caráter indutivo, vago, ambíguo, e sem apresentar uma fundamentação teórica e suas limitações, enfatizando-o como um princípio infalível ou uma verdade absoluta. Perpetuou-se no ensino de química, ao longo do tempo, a formulação mais simples e popular criada por Le Chatelier, no ano de 1888. Outra conclusão importante refere-se ao fato de a maioria das figuras presentes nos livros didáticos estar relacionada ao nível macroscópico e a concentração é a alteração mais discutida. Poucas são as figuras que interligam os três vértices do triângulo. Resta ao professor o desafio de incluir as ilustrações faltantes, principalmente as microscópicas pois estas têm o objetivo de explicar aos estudantes o que ocorre do ponto de vista molecular quando se altera o estado de equilíbrio químico. Portanto, este tratamento superficial do princípio pode favorecer processos de ensino-aprendizagem baseados na memorização, repetição e na sua utilização sem a compreensão exata dos fenômenos envolvidos. / This work presents a reflection on the role of the Le Chatelier\"s principle concerned by its creation and some implications in the teaching of chemistry. The main purpose was to analyze as high school chemical textbooks approach with this subject. For this, historical aspects of the evolution of the principle were studied with the objective of discussing important characteristics, for example: the universal character of the principle, his problems and limitations regarding their applications to previse changes in chemical equilibrium systems and the possible alternatives to the use of the principle. It was found that the principle formulations were similar to that more simple and popular wrote by Le Chatelier, in the year of 1888. It was also made an analysis of how the textbooks address the issue of variables that influence in the state of equilibrium such as: concentration, pressure, catalyst and temperature. Also was analyzed the illustrations present in these books with the objective of address the equilibrium change based in the of Johnstone\"s triangle (that explicitly shows the macroscopic, microscopic and representational levels of chemical knowledge). The main results showed that the majority of the figures in textbooks refers only to macroscopic level and the effects done by of the equilibrium reactants concentration change. There are few figures which are related the three levels represented in the Johnstone\"s triangle. Is very important that teachers include the illustrations missing, mainly the microscopic level, once that this level is essential to correct understand of chemical equilibrium change in the molecular level. In general, the authors of chemical textbooks present the Le Chatelier\"s principle in an inductive manner, vague and ambiguous. They never present theoretical aspects and limitations in the application of the principle. This stresses the infallible character of Le Chatelier\"s principle and transmits the idea that it is an absolute truth. This superficial treatment of the principle can encourage processes of teaching-learning based on memorization and the students can correctly use the principle in the problems solutions without have an exact understanding the phenomena.

O principal interesse desta pesquisa foi descrever e analisar o resultado do aprendizado de conceitos relacionados ao tema equilíbrio químico buscando as concepções dos alunos, sobre aspectos gerais dos sistemas em equilíbrio químico e os aspectos gerais de sistemas ácido base em equilíbrio químico. Para isso acompanhamos e gravamos o áudio das aulas referentes ao ensino do conceito de equilíbrio químico ao longo das disciplinas de Química Geral II e Química Analítica I, no IQUSP. Ao longo das disciplinas aplicamos avaliações iniciais, progressivas e finais. Os resultados foram apresentados em três itens, no primeiro apresentamos a análise da avaliação inicial (AI) e avaliação final (AF), aplicadas na disciplina de Química Geral II (QGII), onde discutimos as concepções sobre aspectos gerais dos sistemas em equilíbrio químico. No segundo item, apresentamos a discussão da avaliação inicial (AI) e avaliação final (AF) aplicada na disciplina de Química Analítica I (QAI), nestas avaliações investigamos os aspectos gerais de sistemas ácido base em equilíbrio químico. No terceiro item, apresentamos a análise das respostas de um aluno, que respondeu todos os testes ao longo das disciplinas de Química Geral II e Química Analítica I, buscando uma reflexão sobre o processo de aprendizagem sobre os modelos do equilíbrio químico e os modelos ácido base, as constantes de equilíbrio químico, as forças de ácidos e bases, solução tampão, e as possíveis alterações promovidas em um sistema em equilíbrio químico, que são conceitos relacionados ao tema equilíbrio químico. A análise dos dados permitem concluir que, após as aulas de Química Geral, referentes ao tema, os alunos passaram a caracterizar corretamente o equilíbrio químico nos níveis macroscópicos e microscópicos, e a comparar o coeficiente de reação com a constante de equilíbrio para fazer previsões de uma mistura reacional. Entretanto, alguns alunos ainda não demonstram uma boa compreensão do significado e das possíveis aplicações da constante de equilíbrio, definindo-a apenas a partir da descrição da sua fórmula matemática. Também não relacionam a constante de equilíbrio químico com a temperatura, aplicando apenas o Principio de Le Chatelier para prever as alterações no sistema em equilíbrio químico. Observamos também que há uma dificuldade para descrever e explicar ácido e base, a partir de um nível eletrônico, usando o modelo de Lewis. Identificamos também algumas dificuldades conceituais e concepções alternativas, que permaneceram mesmo após instrução, tais como: confusões nos modelos que definem ácidos e bases, confusões com a aplicação dos conceitos dissociação e ionização e concepções alternativas referente ao equilíbrio ácido base. Com relação as alterações promovidas em um sistema em equilíbrio químico, observamos que os alunos, de forma geral, justificam o deslocamento do equilíbrio destacando principalmente o Princípio de Le Chatelier. Esperamos favorecer uma reflexão para o ensino e aprendizagem sobre aspectos relacionados ao tema Equilíbrio Químico / The main interest of this research was describe and analyze the results of the learning concepts about chemical equilibrium, seeking the general students concepts related to, chemical equilibrium and acid-base reactions in a stage of equilibrium. To do this we followed an recorded the classes which approach the equilibrium chemical systems at disciplines General Chemistry II and Analytical Chemistry I for IQUSP chemistry students. Initial e final tests were applied throughout disciplines. The results was showed in a three sets, we present first the analysis of initial evaluation (AI) and final evaluations, applied to General Chemistry discipline, discussing concepts about general aspects in chemical equilibrium systems. Then we showed discussing initial and final evaluations applied at analytical chemistry discipline, we search in this evaluations the concepts about an acid-base reactions in chemical equilibrium. In a third step we present the answers analysis of one single student that participated of all tests throughout General II and Analytical I disciplines, seeking a reflection about the learning process on the following topics, chemical equilibrium and acid-base models, the constants, the acid-base strengths and buffer solutions, and the possible changes promoted in a chemical equilibrium system that are important concepts related to the theme. The analysis of this dates suggesting, after the General Chemistry classes, that approach the theme, that students are able to correctly characterize the chemical equilibrium at macroscopic and microscopic levels and compare the coefficient and the constant of equilibrium chemical reactions to make previsions in this systems. However some students didn´t showed a fine concept about possible the applications of theses constants, and only defining through the mathematic relation. They also couldn´t not relationed the alteration in a equilibrium constant with the temperature, appling only the Le Chatelier Principle to make previsions about the alterations in a chemical equilibrium system. We also observe the difficult to analyze and explain the acid-base models starting from electronic level, using a Lewis model. We also identified some conceptual difficulties and misconceptions, which remained even after instructions, like: confusing model which explain acid-base models, confusing at applications of dissociation and ionization concepts and alternative conceptions about acid base equilibrium systems. In relation of promoted alterations that offered to a chemical equilibrium system, we observed the students, generally, justify the displacement of equilibrium particularly focusing on Le Chatelier Principle. This work favors discussions in teaching and learning aspects concepts about the chemical equilibrium.

Grupos de pesquisa em ensino de bioquímica, patrocinados pela International Union of Biochemistry and Molecular Biology (IUBMB) procuram, atualmente, inventariar os conceitos-chave fundamentais para o ensino de bioquímica, face à grande expansão de conhecimentos. Um desses conceitos é o de equilíbrio dinâmico, pela sua ubiquidade (sistema tampão, reversibilidade e sentido das reações, conceito de energia livre padrão e energia livre, cinética enzimática, regulação alostérica, potencial de redução, entre outros). Dada a importância dos conceitos fundamentais para a construção de novos conhecimentos, é necessário que eles não estejam distorcidos por conceitos alternativos. Como há notável escassez de dados sobre equilíbrio químico no aprendizado de Bioquímica, esta tese produziu (1) a prospecção de conceitos alternativos bioquímicos; (2) a proposição de estratégias instrucionais que corrijam ou atenuem os conceitos encontrados. Para a consecução do item (2) foi desenvolvido, aplicado e avaliado um software que simula situações de equilíbrio químico contextualizadas nos tópicos de Bioquímica. Os resultados mostraram que os alunos: i. possuem graves falhas conceituais em equilíbrio químico, mesmo em questões simples; ii. incorporaram frases lapidares da química fundamental, sem conseguir compreender os fundamentos dessas assertivas; iii. aplicam as manipulações matemáticas envolvidas nos problemas de equilíbrio químico sem conseguir compreender os fenômenos envolvidos; iv. tratam o equilíbrio químico fundamentalmente de forma algébrica, sem considerar a natureza do fenômeno; v. não conseguem aplicar os conceitos de equilíbrio químico em uma situação nova, mesmo numa situação voltada para os conceitos de bioquímica. O software produzido foi um Simulador Virtual de Eletroforese (SVE), que integra os níveis de representação do fenômeno químico; foi construído com perspectiva de utilização online tendo sido desenvolvido nas plataformas Java Script, HTML5 e CSS, compatível com padrões tecnológicos internacionais (World Wide Web Consortium). Os resultados de sua aplicação em uma disciplina de graduação mostraram que a intervenção proporcionou um aumento nos acertos em testes diagnósticos aplicados aos alunos em comparação ao grupo que não sofreu intervenção. Concluiu-se que o SVE foi capaz de atenuar conceitos alternativos previamente diagnosticados e que é necessário produzir ferramentas específicas de intervenção para conceitos alternativos identificados. / Research groups in teaching biochemistry, sponsored by the International Union of Biochemistry and Molecular Biology (IUBMB) seeking currently inventorying the key fundamental concepts for teaching biochemistry, given the great expansion of knowledge. One of these concepts is the dynamic balance by their ubiquity (reduction potential, among other buffer system, and reversible reactions the direction of the concept of standard free energy, free energy, enzyme kinetics, allosteric regulation). Given the importance of the fundamental concepts for the construction of new knowledge, it is necessary that they are not distorted by alternative concepts. As there is remarkable paucity of data on the chemical balance of Biochemistry learning, this thesis produced (1) the exploration of alternative biochemical concepts; (2) the proposition of instructional strategies to correct or mitigate the concepts found. To achieve the item (2) was developed, implemented and evaluated a software that simulates situations contextualized chemical balance in the topics of biochemistry. The results showed that students i. have serious conceptual flaws in chemical equilibrium, even in simple matters; ii. incorporated terse phrases of fundamental chemistry, unable to understand the fundamentals of these assertions; iii. apply the mathematical manipulations involved in the problems of chemical equilibrium unable to understand the phenomena involved; iv. treat the chemical balance essentially algebraic way, without considering the nature of the phenomenon; v. fail to apply the concepts of chemical equilibrium in a new situation, even in a situation facing the concepts of biochemistry. The software was produced a Virtual Simulator Electrophoresis (EVS), which integrates the levels of representation of chemical phenomenon; was built with the prospect of using online platforms have been developed in Java Script, HTML5 and CSS, compatible with international technological standards (World Wide Web Consortium). The results of its application in a undergraduate course showed that the intervention resulted in an increase in accuracy for diagnostic tests applied to students in the comparison group who did not undergo intervention. It was concluded that the EVS was able to mitigate previously diagnosed and alternative concepts that are necessary to produce specific intervention tools identified for alternative concepts

O comportamento do Ni no solo, principalmente quando adicionado através de biossólidos, ainda é pouco conhecido. Este trabalho objetivou avaliar a influência dos teores totais do metal, de matéria orgânica e dos valores de pH na distribuição daquele elemento no solo e na sua biodisponibilidade. Foram conduzidos três experimentos de incubação em vasos mantidos em casa de vegetação, utilizando 3 kg de amostras da camada de 0 - 0,20 m de dois solos: ARGISSOLO VERMELHO AMARELO Distrófico (PVAd) e NITOSSOLO VERMELHO Distrófico Latossólico (NVdl). Dois experimentos foram montados em solos diferentes, em esquema fatorial 2x2x3, nos quais 2 doses de Ni (21 e 42 Kg ha –1 ) como NiCl2, foram incubadas durante 120 dias, sob dois teores de matéria orgânica e dois valores de pH, obtidos pela adição de turfa e de calcário, respectivamente. Num terceiro experimento fatorial (2x4), os mesmos dois solos foram incubados por 150 dias com a dose de 150 Mg ha -1 de quatro diferentes biossólidos. Posteriormente, cultivou-se alface em todos os vasos por 50 dias Após a incubação, amostras de solo foram analisadas quimicamente, inclusive efetuando-se extrações seqüenciais para determinar a distribuição do Ni adicionado através de NiCl2 e de biossólido. Foram consideradas as frações do metal solúvel + trocável, carbonatos, matéria orgânica, óxidos e residual. Realizou-se também a especiação do Ni baseada no equilíbrio de Donnan, no extrato de saturação das amostras, para discriminar a porção do Ni solúvel que se achava na forma de íon livre. O calcário foi o fator que mais afetou o comportamento do metal, reduzindo a concentração na fração trocável e aumentando-a nas frações matéria orgânica e óxidos. A turfa aumentou os teores do metal na fração trocável e os reduziu nas frações óxidos e matéria orgânica. O NiCl2 aumentou o teor de Ni nas três frações citadas. Os teores do metal nas frações de cada solo foram modelados por equações de regressão, em função dos teores de C-orgânico, Ni total e pH do solo. A distribuição do Ni no solo, quando adicionado através de biossólidos apresentou semelhanças com a distribuição do metal nos próprios biossólidos. Nestes casos, o Ni predominou nas frações mais fortemente retidas, conferindo ao metal comportamento distinto daquele observado pela adição do NiCl2. Tais diferenças puderam ser confirmadas pela ineficiência das equações obtidas nos experimentos com NiCl2, em predizer os teores do metal nas frações dos solos tratados com biossólidos. Na especiação, doses mais elevadas de calcário e turfa resultaram em menores teores de Ni solúvel e livre, os quais aumentaram com a dose de NiCl2. Concentração de ambas as formas de Ni se correlacionaram com os teores do metal absorvidos pelas plantas. Na aplicação de biossólidos ao PVAd, a determinação do Ni livre foi particularmente importante para se prever a biodisponibilidade de Ni para alface. Essencialmente, pode-se concluir que a extração seqüencial e a especiação em extrato de saturação foram eficientes para demonstrar diferenças do comportamento do níquel quando o metal foi aplicado como NiCl2 e como biossólido. / The role of Nickel in soils under the application of biossolids is still not very well known. The objectives of this study were to investigate the influence of total Nickel and organic carbon content, and soil pH, in the Nickel distribution among soil fractions and the bioavailability of the metal to lettuce. Three incubation pot trials were carried out in greenhouse placing in each one 3 kg of the 0-20cm layer of soil. Two soils types were considered: Typic Halpludult and Rhodic Kandiudox. In two of the trials, one for each soil type, soil samples were treated with rates of NiCl2, lime and peat as a source of organic matter and incubated during 120 days. In the third pot trial the above mentioned soils were incubated with four different types of biossolids during 150 days. Once the incubation period ended soils samples were collected and lettuce was planted in the pots of all three trials. Soils samples were submitted to a sequential extraction procedure which comprised the following fractions: exchangeable plus soluble; carbonate, organic, oxides and residual. Soil saturation extracts were also obtained for the determination of free Ni +2 concentration using the Donnan equilibrium technique. When NiCl2, peat, and lime were applied to soils, changes in pH due to lime caused exchangeable Ni to decrease and raised Ni content in organic and oxide fractions. Peat promoted an higher Ni content in the exchangeable fraction and reduced it in the oxide and organic fraction. I contrast NiCl2 raised Ni content in all of the above motioned fractions. Nickel content in all soil fractions were modeled by regression equations using total Ni, organic carbon, and pH as independent variables. Data for the Ni distribution in soils fractions under biossolids application were similar to results from sequential extraction in the biossolids in terms of percentage. In the biossolids trial Ni occurred most in residual fraction of soil, which contrasts with results obtained when Ni was supplied as NiCl2. Speciation study showed that higher rates of lime and peat promoted lower levels of soluble and free Ni in the soil solution. The opposite was detected when NiCl2 was applied. Both soluble Ni and free Ni +2 were well correlated with the Ni content in lettuce, when the metal salt was supplied as Ni source. However, free Ni +2 was a better indicator for Ni bioavailability when bissolids were applied in PVAd. In resume it may be concluded that the sequential extraction procedure and the speciation by means of the Donnan equilibrium approach were useful to express the different behavior of nickel in soil when NiCl2 or bissolids were the source of the metal.

A neutralizacao de pH e utilizada nas industrias, para garantir o descarte seguro de euentes. As plantas de neutralizacao de pH sao um problema complexo de controle, visto que a planta segue um modelo nao-linear e apresenta caractersticas variantes no tempo, o que demanda sua correta modelagem para o projeto de sistemas de controle ecientes. No entanto, a teoria referente a modelagem de pH nao e facilmente aplicada na pratica, resultando frequentemente em modelos que nao predizem corretamente o comportamento dinamico da planta. O primeiro objetivo deste trabalho foi modelar matematicamente a Planta Piloto de Neutralizacao de pH do Laboratorio de Controle de Processos Industriais (LCPI), utilizando uma metodologia que possa ser aplicada para obter o modelo matematico de outras plantas de neutralizacao de pH. Inicialmente a Planta Piloto de Neutralizacao de pH do LCPI foi modelada de acordo com a abordagem fenomenologica, utilizando-se os princpios de conservacao de massa, da eletroneutralidade e os conceitos de equilbrio qumico. Em seguida, o modelo foi ajustado aos dados experimentais do processo (abordagem emprica), utilizando-se curvas de titulacao dos inuentes e distribuicoes de tempos de residencia do reator. Atraves de experimentos, vericou-se que o modelo representou, de forma satisfatoria, a dinamica real da Planta Piloto de Neutralizacao de pH do LCPI. Ademais, este modelo foi utilizado para alcancar o segundo objetivo deste trabalho: projetar um sistema de controle de pH, o qual foi composto por um observador nao-linear e um controlador baseado em modelo. Esta estrutura de controle foi testada experimentalmente, onde certicou-se que os requisitos de controle foram satisfeitos. / The pH neutralization is used in industry to discard properly the wastewater, ensuring the environment preservation. The pH neutralization is a complex control problem, as the model of the plant presents a strong nonlinearity and time varying characteristics, which demands a proper modeling in order to design ecient control systems. However, the application of the theory related to pH modeling is not a trivial task and may result in models that can not predict the plant dynamics. The rst objective of this research was to model the pH Neutralization Pilot Plant, of the Laboratory of Industrial Processes Control (LCPI), using a methodology that could be replicated to model other pH neutralization plants. Initially, the pH Neutralization Pilot Plant was modeled with the phenomenological approach, utilizing rst principles, such as the mass conservation, electroneutrality and chemical equilibrium. Moreover, the model was adjusted to represent the process observed data (empirical approach), as its titration curves of the inuent streams and its reactor residence time distribution. Through experiments, it was veried that the model could represent adequately the real process dynamics. Furthermore, this model was used to achieve the second objective of this research: to design a pH control system, which was composed of a nonlinear observer and a modelbased control. This control structure was tested experimentally, ensuring that the control requirements were satised.

L'objectif de cette thèse est de développer un nouveau code pour prédire l'équilibre final d'un processus chimique complexe impliquant beaucoup de produits, plusieurs phases et plusieurs processus chimiques. Des méthodes numériques ont été développées au cours des dernières décennies pour prédire les équilibres chimiques finaux en utilisant le principe de minimisation de l'enthalpie libre du système. La plupart des méthodes utilisent la méthode des « multiplicateurs de Lagrange » et résolvent les équations en employant une approximation du problème de Lagrange et en utilisant un algorithme de convergence pas à pas de type Newton-Raphson. Les équations mathématiques correspondantes restent cependant fortement non linéaires, de sorte que la résolution, notamment de systèmes multiphasiques, peut être très aléatoire. Une méthode alternative de recherche du minimum de l’énergie de Gibbs (MCGE) est développée dans ce travail, basée sur une technique de Monte-Carlo associée à une technique de Pivot de Gauss pour sélectionner des vecteurs composition satisfaisant la conservation des atomes. L'enthalpie libre est calculée pour chaque vecteur et le minimum est recherché de manière très simple. Cette méthode ne présente a priori pas de limite d’application (y compris pour las mélanges multiphasiques) et l’équation permettant de calculer l’énergie de Gibbs n’a pas à être discrétisée. Il est en outre montré que la précision des prédictions dépend assez significativement des valeurs thermodynamiques d’entrée telles l'énergie de formation des produits et les paramètres d'interaction moléculaire. La valeur absolue de ces paramètres n'a pas autant d’importance que la précision de leur évolution en fonction des paramètres du process (pression, température, ...). Ainsi, une méthode d'estimation cohérente est requise. Pour cela, la théorie de la « contribution de groupe » est utilisée (ceux de UNIFAC) et a été étendue en dehors du domaine d'interaction moléculaire traditionnel, par exemple pour prédire l'énergie de formation d’enthalpie libre, la chaleur spécifique... Enfin, l'influence du choix de la liste finale des produits est discutée. On montre que la prédictibilité dépend du choix initial de la liste de produits et notamment de son exhaustivité. Une technique basée sur le travail de Brignole et Gani est proposée pour engendrer automatiquement la liste des produits stable possibles. Ces techniques ont été programmées dans un nouveau code : CIRCE. Les travaux de Brignole et de Gani sont mis en œuvre sur la base de la composition atomique des réactifs pour prédire toutes les molécules « réalisables ». La théorie de la « contribution du groupe » est mise en œuvre pour le calcul des propriétés de paramètres thermodynamiques. La méthode MCGE est enfin utilisée pour trouver le minimum absolu de la fonction d'enthalpie libre. Le code semble plus polyvalent que les codes traditionnels (CEA, ASPEN, ...) mais il est plus coûteux en termes de temps de calcul. Il peut aussi être plus prédictif. Des exemples de génie des procédés illustrent l'étendue des applications potentielles en génie chimique. / The objective of this work is to develop a new code to predict the final equilibrium of a complex chemical process with many species/reactions and several phases. Numerical methods were developed in the last decades to predict final chemical equilibria using the principle of minimizing the Gibbs free energy of the system. Most of them use the “Lagrange Multipliers” method and solve the resulting system of equations under the form of an approximate step by step convergence technique. Notwithstanding the potential complexity of the thermodynamic formulation of the “Gibbs problem,” the resulting mathematical formulation is always strongly non-linear so that solving multiphase systems may be very tricky and having the difficult to reach the absolute minimum. An alternative resolution method (MCGE) is developed in this work based on a Monte Carlo technique associated to a Gaussian elimination method to map the composition domain while satisfying the atom balance. The Gibbs energy is calculated at each point of the composition domain and the absolute minimum can be deduced very simply. In theory, the technique is not limited, the Gibbs function needs not be discretised and multiphase problem can be handled easily. It is further shown that the accuracy of the predictions depends to a significant extent on the “coherence” of the input thermodynamic data such the formation Gibbs energy of the species and molecular interaction parameters. The absolute value of such parameters does not matter as much as their evolution as function of the process parameters (pressure, temperature, …). So, a self-consistent estimation method is required. To achieve this, the group contribution theory is used (UNIFAC descriptors) and extended somewhat outside the traditional molecular interaction domain, for instance to predict the Gibbs energy of formation of the species, the specific heat capacity… Lastly the influence of the choice of the final list of products is discussed. It is shown that the relevancy of the prediction depends to a large extent on this initial choice. A first technique is proposed, based on Brignole and Gani‘s work, to avoid omitting species and another one to select, in this list, the products likely to appear given the process conditions. These techniques were programmed in a new code name CIRCE. Brignole and Gani-‘s method is implemented on the basis of the atomic composition of the reactants to predict all “realisable” molecules. The extended group contribution theory is implemented to calculate the thermodynamic parameters. The MCGE method is used to find the absolute minimum of the Gibbs energy function. The code seems to be more versatile than the traditional ones (CEA, ASPEN…) but more expensive in calculation costs. It can also be more predictive. Examples are shown illustrating the breadth of potential applications in chemical engineering.

Large-eddy simulation (LES) and unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (URANS) calculations have been performed to investigate the effects of different mathematical models for scalar variance and its dissipation rate as applied to both a non-reacting bluff-body turbulent flow and an extension to a reacting case. In the conserved scalar formalism, the mean value of a thermo-chemical variable is obtained through the PDF-weighted integration of the local description over the conserved scalar, the mixture fraction. The scalar variance, one of the key parameters for the determination of a presumed β-function PDF, is obtained by solving its own transport equation with the unclosed scalar dissipation rate modelled using either an algebraic expression or a transport equation. The proposed approach is first applied to URANS and then extended to LES. Velocity, length and time scales associated with the URANS modelling are determined using the standard two-equation k-ε transport model. In contrast, all three scales required by the LES modelling are based on the Smagorinsky subgrid scale (SGS) algebraic model. The present study proposes a new algebraic and a new transport LES model for the scalar dissipation rate required by the transport equation for scalar variance, with a time scale consistent with the Smagorinsky SGS model.

Large-eddy simulation (LES) and unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (URANS) calculations have been performed to investigate the effects of different mathematical models for scalar variance and its dissipation rate as applied to both a non-reacting bluff-body turbulent flow and an extension to a reacting case. In the conserved scalar formalism, the mean value of a thermo-chemical variable is obtained through the PDF-weighted integration of the local description over the conserved scalar, the mixture fraction. The scalar variance, one of the key parameters for the determination of a presumed β-function PDF, is obtained by solving its own transport equation with the unclosed scalar dissipation rate modelled using either an algebraic expression or a transport equation. The proposed approach is first applied to URANS and then extended to LES. Velocity, length and time scales associated with the URANS modelling are determined using the standard two-equation k-ε transport model. In contrast, all three scales required by the LES modelling are based on the Smagorinsky subgrid scale (SGS) algebraic model. The present study proposes a new algebraic and a new transport LES model for the scalar dissipation rate required by the transport equation for scalar variance, with a time scale consistent with the Smagorinsky SGS model.