Philosophiae Doctor - PhD / Coal combustion accounts for 95% of electricity generation in South Africa while globally coal combustion for energy generation stands at 42%. It has been predicted that coal utilization for energy generation will continue due to its low cost and availability in huge quantities in different parts of the world. Additionally brine and gaseous emissions are produced in the power generation and coal combustion processes. In fact, it has been established that CO2 emissions from power plants are the main cause of the green-house effect leading to global warming. Mitigation of the effects of disposal of fly ash, brine and CO2 emissions is critical for sustainable energy generation from coal and environmental protection. The study investigated whether South African coal fly ash could be used for brine remediation and CO2 capture using fly ash based hydrotalcites and zeolites. Four main objectives were investigated. These were; firstly, to compare the natural CO2 capture potential of a power station ash dam with an accelerated ex-situ mineral carbonation process. Secondly, to probe the effect of accelerated ex-situ mineral carbonation on brine quality with regards to major, minor and trace elements concentration. Furthermore, the study investigated the feasibility of synthesizing hydrotalcites from fly ash by optimizing the synthesis parameters such as acid concentration, aging time, aging temperature, pH during aging, crystallization time and crystallization temperature. Finally the study compared the CO2 adsorption capacities of the fly ash based hydrotalcites with fly ash based zeolites NaA, and NaX. The natural carbonation potential of the wet disposed ash dam at Secunda was investigated by coring a 20 year old dam. Three cores (SI, S2 and S3) were obtained by air flush coring the dam along a geophysical line and establishing the geophysical profile of the three cores. The surface of the three cores was of medium resistivity with values between 9.3 and 12.2 nm while the midsections were of low resistivity with values ranging between 4 and 7 nm. The base section of core SI had a resistivity of 28.3 nm, that of S2 was between 16.2 and 21.4 nm and that of S3 between 12.2 and 16.2 nm; implying that SI had the lowest salt load while S3 had the highest salt content. Moisture content was observed to be high deeper down the profiles of S2 and S3 with samples appearing water logged while SI had the highest moisture content at the surface showing the inhomogeneity of the ash dam. The morphology of fresh fly ash taken from the ash collection hoppers at Secunda was observed to be spherical. Weathered ash from the ash dam showed irregularly agglomerated particles while accelerated ex-situ mineral carbonation resulted in the formation of acicular particles of calcite. Fresh ash, weathered ash and the accelerated carbonated ash were all class F with a sum total of silica, alumina and iron oxide totaling more than 70%. A reduction in silica and alumina content with instability of fly ash. Dumping of spent iron catalyst (resulting from the petrochemical operations as Sasol) on the ash dam led to an increase in Fe203 content of the weathered ash. Enrichment of Nb, Sr, Y, Th, Na, Cl, S04, K and S with natural carbonation as well as during accelerated ex-situ mineral carbonation was observed and was due to the contact of ash with brine during these two processes. Reduction of Zr, Rb, Pb, Ni, Co and V content of ash was observed with weathering. Mineralogically, all the ash samples had main phases of mullite, quartz, magnetite and hematite, with weathered and accelerated carbonated ash having additional phases of calcite. The aluminosilicious nature of the three ashes was identified by structural evaluation using Fourier transform infrared analysis which revealed that, bands associated with C-O in-plane and out of plane bending of carbonates was only visible in weathered and carbonated ash.

The aim of Master's thesis is to apply statistical methods in production process. The assignment of the thesis is to describe and evaluate pressing process which is the part of posistor production. The first theoretical part contains introduction to the mathematical statistics, verifying assumptions about the data, describing the regression analysis, the analysis of variance and the part of the design of experiment. The second practical part is focused on design, performing and interpreting of experiments. The thesis is developed according to requirements of company EPCOS s.r.o. Šumperk. Statistical program MINITAB Rlease 14, which is supported by company, was used for all computations.

This thesis deals with the possibility of applying the method of Design of Experiments (DoE) on specific data. In the first chapter of theoretical part, this method is described in detail. The basic principles and guidelines for the design of the experiment are written there. In the next two chapters, factorial design of the experiment and response surface design are described. The latter one includes a central composite design and Box-Behnken design. The following chapter contains practical part, which focuses on modelling firing range of ball from a catapult using the above three types of experimental design. In this work, the models are analysed together with their different characteristics. Their comparison is made by using prediction and confidence intervals and by response optimizing. The last part of the thesis comprises overall evaluation.

In the constantly changing field of engineering and design, achieving solutions that are both resilient and optimized is crucial. This thesis introduces a robust design methodology (RDM) that integrates statistical concepts and Finite Element Analysis (FEA) to enhance the product reliability and durability. Altair Hyperstudy is used for design exploration, and it examines how changes in geometry and material properties influence the IKEA Wall-Mounting shelving unit. The objective is to efficiently parameterize geometric shapes, compare different Design of Experiments (DOE) methodologies, identify key input variables impacting outputs, and generate a response surface model based on training data. The parameterization of geometric shapes is achieved using the morphing tool in Altair Hypermesh, while the design exploration is conducted using Full factorial, Fractional factorial V, IV and III approaches with selected resolutions. A space-filling modified extensive lattice sequence design (MELS) is employed to examine the entire design space, providing input for the development of the response surface methodology (RSM). Finally, the RSM is developed for all design variables and the quality of fit is assessed. The methodology described is used to explore the design space and determine which parameters influence the system’s output response, ensuring these parameters are considered during the design phase.

Os ensaios microbiológicos são utilizados para avaliar a atividade antimicrobiana desde a descoberta do uso dos antibióticos. Apesar dos ensaios microbiológicos serem amplamente empregados para determinação da potência de antibióticos em formas farmacêuticas, uma vez que fornecem a medida da atividade biológica, apresentam limitações quanto a baixa reprodutibilidade e tempo de análise. O objetivo deste trabalho foi desenvolver, otimizar e validar ensaio colorimétrico rápido em microplaca para determinar a potência da neomicina e bacitracina em produtos farmacêuticos. Metodologias de análise fatorial e análise de superfície de resposta foram utilizadas no desenvolvimento e otimização da escolha do microrganismo, da composição do meio de cultura, da proporção de inóculo, e das concentrações de cloreto de trifeniltetrazólio e dos antibióticos. Os métodos otimizados foram validados pela avaliação da linearidade, precisão, exatidão e robustez. Análise estatística mostrou equivalência entre o método de difusão em ágar e o método colorimétrico rápido em microplaca para ambos antibióticos. Além disso, o ensaio em microplaca apresentou vantagens em relação à reprodutibilidade, sensibilidade, tempo de incubação e quantidades necessárias de meio de cultura e soluções para ambos os antibióticos. / Microbiological assays have been used to evaluate antimicrobial activity since the discovery of the first antibiotics. Despite of microbiological assays have been widely employed to determine antibiotic potency of pharmaceutical dosage forms, once they provide a measure of biological activity, they have limitations regarding the low reproducibility and increased time of analysis. The aim of this work is to develop, optimize and validate a rapid colorimetric microplate bioassay for the potency of neomycin and bacitracin in pharmaceutical drug products. Factorial and response surface methodologies were used in the development and optimization of the choice of microorganism, culture medium composition, amount of inoculum, triphenyltetrazolium chloride (TTC) concentration and antibiotic concentration. The optimized bioassays methods were validated by the assessment of linearity, precision, accuracy, and robustness. Statistical analysis showed equivalency between agar diffusion microbiological assays and rapid colorimetric microplate bioassays. In addition, microplate bioassay had advantages concerning the reproducibility, sensitivity of response, time of incubation, and amount of culture medium and solutions required.

Ciclones são equipamentos largamente empregados na separação de partículas do ar ou na limpeza de gases de processos por ação da força centrífuga. Neste trabalho, um ciclone lavador modificado foi projetado, construído, e sua eficiência de coleta de partículas foi avaliada. O equipamento consiste de um ciclone separador tipo Americano com triplo cone, em cujo corpo cilíndrico foram introduzidos bicos nebulizadores de água. Graças a essa configuração ele pode ser usado em galpões industriais, apresenta facilidade de construção e operação e baixo custo. O autor projetou esse ciclone objetivando não somente a eficiência de coleta, mas também a compacidade, o baixo consumo de água e de eletricidade, a possibilidade de purificação de gases ou vapores tóxicos, e ainda, o resfriamento de gases quentes pela umidificação até a saturação, de acordo com os fundamentos da separação de poeiras empregada nos scrubbers úmidos. O estudo consistiu de uma avaliação experimental das condições de operação à temperaturas ambiente e superiores à ambiente, variando também a altura da chaminé e a vazão de água de umidificação da poeira. Os ensaios foram realizados em duas etapas. Na primeira, objetivou-se identificar as melhores condições de operação usando todo o potencial de variação do equipamento, e empregando um projeto fatorial de três fatores (three-way). A segunda etapa objetivou-se estimar a eficiência de coleta do ciclone lavador usando como poluente, partículas de quartzo micronizado com diâmetro médio de 7,48 µm. A concentração de partículas no gás foi de 20 a 100 mg/m3 de ar. Foi obtida uma eficiência média de 97.07±1.03 %, para 4 bicos nebulizadores, 4 aquecedores em funcionamento e altura da chaminé 645 mm, para uma vazão de gás 0,358 m3/s de gás. Concluindo a modificação do projeto aumento a eficiência de coleta de aproximadamente 70 % ,em ciclones secos, para 97,07 %. / Cyclones are devices widely employed to separate and collect particles from the air or for cleaning up gases for processes by the action of centrifugal force. In this work a modified cyclone washer was designed, fabricated, and its collection efficiency evaluated. This equipment consists of an Americantype cyclone separator with a triple cone into whose cylindrical body a spray nozzle was introduced. Thanks to its configuration, it can be used in industrial warehouses and is fairly simple to build and operate, as well as inexpensive. The author designed this cyclone with a view not only to efficiency but also compactness, low water and electricity consumption, the possibility of toxic gas or vapor absorption, the cooling of hot gases and aerosol humidification up to saturation, according to fundamentals of dust separation with wet scrubbers. The study consisted of an experimental evaluation of the operating conditions at ambient and higher than ambient temperatures, changing the chimney height and water flow rate, with the purpose of humidifying dust. The tests were carried out in two steps. The first step aimed to identify the best operating condition using the entire potential variation and employing a three-way factorial design. The second step aimed to estimate the efficiency of the cyclone washer was evaluated in the collection of micronized quartz particles with an average diameter of 7.48 µm. The amount of particles varied from 20 to 100 mg/m3 of air. An average efficiency of 97.07±1.03 % was obtained with four spray nozzles, with its four heaters turned on, chimney height of 0.645 m and 0.358 m3/s of gas. In conclusion, the design modification had increased the collection efficiency from about 70 %, in dry cyclones, to 97.07 %.

No revestimento por solidificação de material fundido o agente de revestimento é aplicado em seu estado liquefeito e se solidifica na superfície do substrato, formando a cobertura desejada, eliminando o uso de solventes. O presente trabalho teve como objetivo estudar dois tipos de processo: revestimento de partículas grandes em leito de jorro e revestimento de partículas finas em leito fluidizado, e avaliar a influência de parâmetros do processo sobre propriedades físicas e farmacotécnicas das partículas revestidas, assim como usá-las no preparo de comprimidos. As partículas grandes foram revestidas com PEG 4000, sendo o estudo do processo feito através de um planejamento fatorial completo 23 com triplicatas no ponto central. As variáveis estudadas foram pressão do ar de atomização, vazão de atomização e altura do bico de atomização. Para as partículas revestidas foram determinados a distribuição granulométrica, o fator de Hausner e o índice de Carr. Os comprimidos destas partículas foram submetidos a ensaios de dissolução in vitro, para avaliação dos perfis de liberação de paracetamol. As partículas finas foram revestidas com uma dispersão sólida de PEG 4000 e curcumina, sendo o estudo do processo feito através de um planejamento fatorial completo 23, seguido de um planejamento Box-Behnken. As variáveis estudadas foram pressão do ar de atomização, vazão de atomização e quantidade de dispersão sólida. Para as partículas revestidas foram determinados a distribuição granulométrica, densidades aparente e compactada, fator de Hausner, capacidade de compactação, porosidade total, além de serem submetidas a microscopia eletrônica de varredura e a análise por DSC. A dispersão sólida também foi caracterizada através de análise por DSC, espectroscopia no infravermelho, difração de raios X, sendo também feita a determinação da solubilidade da curcumina em água. Os comprimidos destas partículas foram caracterizados através da obtenção do diagrama de Heckel, curvas de dureza em função da pressão de compressão aplicada e ensaio de dissolução in vitro. Para as partículas grandes, o estudo do processo sugeriu que a vazão de atomização foi o fator de maior influência sobre o tamanho das partículas, influenciando o grau de aglomeração durante o processo. Uma menor vazão de atomização resultou em um menor grau de aglomeração das partículas. A caracterização da dispersão sólida mostrou que houve um aumento da solubilidade da curcumina e que ela interage com PEG 4000. Para as partículas finas, o estudo do processo sugeriu que a pressão do ar de atomização foi fator de maior influência sobre o tamanho das partículas, sendo o seu revestimento favorecido quando se operou com o altos valores de pressão. Ambos os tipos de partículas revestidas resultaram em comprimidos com características adequadas. / The hot-melting coating is a solvent-free technique used to coat pharmaceutical solid dosage forms. The coating agent is applied in its melted state, and after its solidification, the coating is formed. The objective of this present work was to study two types of processes: coarse particle coating in spouted bed and fine particle coating in fluidized bed, evaluate the influence of process parameters on particle size and flow properties, as well as their tableting. Coarse particles were coated with PEG 4000, and the process study followed a full factorial design 23 with triplicates in the central point. The factors studied were atomization air pressure, atomization rate, and vertical position of the spray nozzle. Particle size distribution, Hausner factor and Carr index were determined for coated particles. Tablets of these particles were submitted to dissolution tests to obtain their release profile of paracetamol. Fine particles were coated with a solid dispersion of PEG 4000 and curcumin, in a study of the process that followed a full factorial design 23, and a Box-Behnken design. The factors studied were air atomization pressure, atomization rate, and the PEG 4000 content. Coated particles were characterized by their bulk and tapped densities, particle size distribution, Hausner factor, ability to settle, total porosity, scanning electron microscopy and DSC analysis. Solid dispersion was also characterized by DSC analysis, infrared spectroscopy, X-ray diffraction, being also made the determination of the curcumin solubility in water. Heckel´s plot, hardness as function of the applied pressure and in vitro dissolution tests were used to characterize the tablets. The study of the coating process of coarse particles suggested that the atomization rate was the most significant factor, influencing the particle agglomeration degree during the process. The lower the atomization rate, the lower the degree of particles agglomeration. Curcumin in the solid dispersion showed an increase in water solubility and also showed an interaction with PEG 4000 by hydrogen bounding. The study of the fine particles coating process showed that the atomization air pressure was the most significant factor on particle size. All tablets prepared from both types of coated particles showed adequate characteristics.

O pão francês é um produto consumido diariamente, composto majoritariamente por farinha de trigo. A utilização da farinha de trigo pode ser questionada em relação ao seu baixo valor nutricional e alto preço, devido à dependência do Brasil pela importação do trigo. São escassos os estudos que visam à fabricação de pães do tipo francês com diferentes farinhas, sendo um mercado a ser explorado. Assim, o objetivo deste projeto foi avaliar o efeito da adição das farinhas de milho (FM), de arroz (FA) e de banana verde (FB), em substituição parcial à farinha de trigo, na produção de pães do tipo francês. Para isso foram utilizados três planejamentos fatoriais 2², onde a concentração da farinha substituta (FM, FA ou FB) e a concentração do melhorador químico foram as variáveis independentes. Os pães foram avaliados tecnologicamente, em relação ao conteúdo de água, perda de água durante o assamento, volume específico, perfil de textura, porosidade do miolo, cor do miolo e da crosta, assim como a força máxima de cisalhamento. Através da análise de variância (ANOVA) com um nível de confiança de 95% verificou-se a significância e preditividade das respostas estudadas. Dessa forma, pode-se observar que para os pães produzidos com farinha de milho apresentaram significância e preditividade os modelos gerados para as respostas volume específico do pão assado, elasticidade, força de cisalhamento, parâmetro de cor a* do miolo, e L*, a*, e b* da crosta. Para os pães produzidos com farinha de arroz apenas os modelos gerados para as respostas perda de água, volume específico, fração vazia, densidade celular e força de cisalhamento foram significativos e preditivos. Já para a farinha de banana verde os modelos gerados para as respostas perda de água durante o assamento, força de cisalhamento, fração vazia do miolo, área média celular, perímetro médio celular, parâmetros de cor L*, a* e b* do miolo e da crosta dos pães foram significativos e preditivos. Dessa forma, pode-se concluir que a produção de pães do tipo francês a partir da substituição da farinha de trigo pelas FM, FA e FB é tecnicamente viável, verificado através das diversas caracterizações dos produtos, demostrando a importância do presente estudo, e definição de perspectivas para a continuação da pesquisa. / French-type bread is a product consumed daily, composed mostly of wheat flour. The use of wheat flour could be questioned in relation to its nutritional value and high price, due to the Brazil´s dependence on wheat imports. There are few studies that investigate the production of french-type bread with different flours, being a market to be widely explored. Thus, the aim of this project was to evaluate the effect of the addition of maize (FM), rice (FA) and green banana (FB) flour, in partial substitution to wheat flour in the production of french-type bread. For this purpose, three factorial designs 2² were used, where the concentration of the substitute flour (FM, FA or FB) and the concentration of the baking improver were the independent variables. The loaves were evaluated technologically in relation to the water content, loss of water during the roasting, specific volume, texture profile, crumb porosity, crust and crumb color, as well as the maximum shear force. Analysis of variance (ANOVA) with a confidence level of 95% verified the significance and predictivity of the responses studied. In this way, it could be observed that for the breads produced with corn flour, the models generated for the specific bread volume, elasticity, shear force, color parameter a * of the crumb, and L*, a* and b* of the crust were significant and predictive. For breads produced with rice flour only the models generated for the responses water loss, specific volume, void fraction, cell density and shear force were significant and predictive. For the green banana flour, the models generated for the responses of water loss during baking, shear force, void fraction, mean cell area, mean cell perimeter, L *, a * and b * color parameters of the crumb and crust were significant and predictive. Thus, it could be concluded that the production of French-type breads from the substitution of wheat flour by FM, FA and FB is technically feasible, verified through the various characterizations of the products, demonstrating the importance of the present study, and definition the perspectives for further research.

Este trabalho apresenta a avaliação dos efeitos da estabilização química com cal e cimento na condutividade hidráulica e resistência à compressão de um solo arenoso proveniente da Formação Botucatu (Estado de São Paulo, Brasil), com o objetivo de obter um material menos permeável e mais resistente. O projeto e análise de experimentos foram realizados através de um planejamento fatorial 3², com duas variáveis independentes: teor de umidade e porcentagem de estabilizante, variando em três níveis cada. Foi utilizado cal hidratada CH-III, cimento Portland CP II-Z32 e água fornecida pela concessionária local. Os ensaios de condutividade hidráulica (K) foram executados em permeâmetros de carga constante. Foram realizados ensaios de resistência a compressão simples (RC) após 7 e 28 dias de cura. As amostras de solo estabilizado e natural foram compactadas na energia Proctor Normal. Na avaliação da estrutura das amostras de solo estabilizado verificou-se a alteração da matriz de poros promovida pela adição de cal e cimento. Após a obtenção dos resultados, análises estatísticas possibilitaram avaliar os efeitos das variáveis independentes sobre o K e RC. Pelo método de superfície de respostas foi possível demonstrar o comportamento das misturas e identificar a tendência de alteração das propriedades. As amostras de solo-cimento alcançaram reduções de condutividade hidráulica de até 9,5 x 10-7 m/s e o menor valor experimental de K foi de 1,4 x 10-8 m/s. Os ensaios de RC, com 28 dias de cura, apresentaram acréscimo de resistência de até 5,1 MPa e os resultados obtidos possuem uma variação, aproximadamente, entre 0,1 e 5,1 MPa. O procedimento adotado permitiu avaliar a influência dos fatores e determinar as misturas ótimas para cada estabilizante. / A laboratory study was conducted to evaluate the effects of lime and cement stabilization over the hydraulic conductivity and unconfined compressive strength of a sandy soil from Botucatu Formation (São Paulo State, Brazil) with the intend to generate a less permeable and more resistant material. The experiment was performed using the technique of factorial design 3², with the two independent variables: moisture content and stabilizer percentage, varying on three levels each. Hydraulic conductivity (K) was measured in constant-head permeameters. Unconfined compressive strength (CS) was measured after 7 and 28 days of curing. The samples of stabilized and natural soils were compacted with the normal Proctor energy. The evaluation of the stabilized soil structure verified a pore matrix modification promoted by lime and cement addition. With the results of the characterization, statistical analysis allowed to assess the effects of the variable factors on K and CS. The response surface method was used to demonstrate the hydraulic and compressive strength behavior of the stabilized soil. The soil-cement hydraulic conductivity achieved reductions up to 9.5 x 10-7 m/s and the lowest K experimental value was 1.4 x 10-8 m/s. The compressive strength, with 28 days of curing, presented an increase in CS up to 5.1 MPa and the obtained results showed a range between 0.1 and 5.1 MPa. The adopted experimental procedure allows the assessment of the variables influence and the determination of the optimal mixtures for each stabilizer.

Este trabalho tem como objetivo investigar a redução da relaxação por compressão de borracha acrílica modificada (ACM) irradiada por feixe de elétrons, através da caracterização de seu comportamento mecânico e de sua estrutura molecular. O material, nas condições original e irradiado, foi inicialmente submetido a ensaios uniaxiais de tração e espectroscopia por infravermelho com o objetivo de verificar a influência da irradiação EB em seu comportamento, eliminando a possibilidade de degradação do material, permitindo a continuidade dos estudos. Definidas as doses, novos corpos de prova foram irradiados e submetidos a ensaios uniaxiais, equibiaxiais de tensão e cisalhamento puro, gerando resultados que foram aplicados na simulação pelo método de elementos finitos, utilizando o modelo de comportamento elástico não-linear de Ogden, para predizer o comportamento do material em condições de compressão. Confirmado o aumento da tensão por compressão para mesmas deformações, com o aumento da dose de radiação, análises termogravimétricas e dinâmicas mecânicas foram realizadas para possibilitar o entendimento do fenômeno. Na fase final do trabalho ensaios de relaxação por compressão foram realizados, em diferentes níveis de deformação e temperatura, apresentando a redução da relaxação por compressão gerada pela radiação EB e quantificando tal influência combinada com outros fatores, através da aplicação dos resultados no método de Planejamento Fatorial 2k. / The aim of this work is to investigate the compression stress relaxation (CSR) decrease of modified acrylic rubber, irradiated by electron beam, through its mechanical behavior and molecular structure characterization. Uniaxial tensile test and infrared spectroscopy were carried out, on original and irradiated material conditions, to verify the influence of EB irradiation on ACM, and to eliminate the possibility of degradation caused by EB radiation. After to define the radiation doses, new ACM specimens were irradiated. Uniaxial, equibiaxial and planar shear tests generated experimental data, which were applied to simulate the non linear elastic behavior of the material, through finite elements method, using the Ogden Model. Confirmed the compression stress increase at same deformation level, caused by increasing of radiation dose, thermogravimetric and dynamic mechanical analysis were carried out in order to make possible to understand the behavior changes. In the final part of this work, compression stress relaxation experiments were carried out, at two deformation and temperature levels, with the purpose to validate the compression stress relaxation decrease caused by EB radiation, and to quantify such influence combined with other factors. The CSR decrease combined with other influence variables were studied through use of factorial design.