Supercritical carbon dioxide (scCO2) was used as a processing aid to improve the level of exfoliation achievable in a PET-layered silicate nanocomposite produced from melt compounding. Layered silicate and scCO2 were allowed to mix for a period of time before being released into the second stage of a single screw extruder. The rapid expansion forced silicate particles into a modified hopper containing neat PET pellets. The mixture of layered silicate and PET was immediately melt mixed in a single screw extruder, cooled in a water bath and pelletized. Two sets of samples each containing layered silicate with different surface chemistries were produced with this method at 1, 3 and 5 wt% silicate. For comparison, samples of the same weight fraction and type of silicate were produced from a traditional melt compounding method. Wide angle x-ray diffraction (WAXD), mechanical testing and rheological analysis were used in order to characterize the silicate morphology, the composite mechanical properties and the relative amount of degradation between the various samples. Results show that scCO2 processed samples contain a higher degree of layered silicate exfoliation than samples produced with traditional melt compounding. Mechanical property improvements are shown to be dependent on the type of silicate surface modification employed. Finally, degradation of the PET matrix appears to be far less extensive in the scCO2 processed samples as shown from rheological data. / Master of Science

Orientador: Fauze Ahmad Aouada / Resumo: Os hidrogéis são polímeros hidrorretentores reticulados, que são capazes de reter e absorver grande quantidade de água. A combinação de polissacarídeos e nanoargila na matriz polimérica otimiza o desenvolvimento de materiais biodegradáveis e nanoestruturados que podem ser utilizados na agricultura. Nesta dissertação foram preparados e caracterizados hidrogéis nanoestruturados biodegradáveis, afim de aplicá-lo como um acelerador no crescimento de mudas de hortaliça. Os hidrogéis foram preparados fixando as concentrações de acrilamida (AAm) em 6% m/v e carboximetilcelulose (CMC) em 1% m/v, e incorporando diferentes concentrações de nanoargila cloisita-Na+. Diferentes quantidades de hidrogéis foram incorporadas ao substrato e investigado a sua eficiência no cultivo de alface. Foram analisadas as propriedades hidrofílicas e cinéticas em água destilada e em soluções salinas. Os hidrogéis demonstraram excelentes resultados de intumescimento. A incorporação de nanoargila na matriz do polímero aumentou a velocidade de absorção de água (indicada pelo aumento da constante cinética k) quando intumescido em água destilada. A formação das redes poliméricas foi confirmada pela análise de espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). A difração do raios-x (DRX) e a espectroscopia de energia dispersiva de Raios-X (EDX) permitiu avaliar a conformação das plaquetas de nanoargila e os elementos químicos presente nos nanocompósitos, respectivamente. A microscopia eletrônica... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Hydrogels are water-retainer crosslinked polymers which are able to retain and absorb large quantities of water. The combination of polysaccharides and nanoclay in the polymeric matrix enhanced the development of nanostructured and biodegradable materials and it can be used in agriculture. In this work, nanostructured biodegradable hydrogels was prepared in order to improve germination and seedling quality of lettuce cultivation. The hydrogels were prepared by fixing the concentrations of acrylamide (AAm) in 6% w/v carboxymethylcellulose (CMC) in 1% w/v, containing different nanoclay Cloisite-Na+ concentrations. Different amounts of hydrogel were incorporated to the substrate and investigated their efficiency in lettuce cultivation. Hydrophilic and kinetic properties were investigated in distilled water and in saline solutions. The hydrogels showed excellent swelling degree results. Also, the incorporation of nanoclay in the polymer matrix increased the water absorption speed (indicated by an increase in kinetic constant k) when swollen in distilled water. The formation of polymer networks was confirmed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis. The x-ray diffraction (XRD) and energy dispersive spectroscopy X-ray (EDX) corfimed the conformation of the nanoclay platelets and chemical elements present in the nanocomposite, respectively. The scanning electron microscopy (SEM) showed porous structures morphology with well-defined shapes, but with heterogeneity in... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:01:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JuliaCLT_DISSERT.pdf: 2162032 bytes, checksum: 7f341c00df066e306597bec708b72f71 (MD5) Previous issue date: 2013-08-05 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / The increasing demand for asphalt leads to the development of techniques that can improve the quality of products and increase the useful working life of pavements. Consequently, there is a growing application of asphalt emulsions, which are produced from a mixture of petroleum asphalt cement (CAP) with an aqueous phase. The main advantage of asphalt emulsions is its cold application, reducing energy costs. Conventional emulsions are obtained using asphalt, water, solvent, and additives. The modified asphalt emulsion is developed by adding a modifying agent to conventional emulsions. These modifiers can be natural fibers, waste polymers, nanomaterials. In this work modified asphalt emulsion were obtained using organoclays. First, it was prepared a conventional asphalt emulsion with the following mass proportion: 50% of 50/70 penetration grade CAP, 0.6% of additives and 3% of emulsifier, 20% of solvent and 26.4% of water. It was used bentonite and vermiculite (1% and 4%) to obtain the modified asphalt emulsion. Bentonite and vermiculite were added in its raw state and as an organoclay form and as an organoclay-acid form, resulting in 26 experimental runs. The methodology described by Qian et al. (2011), with modifications, was used to obtain the organoclay and the organoclay-acid form. infrared spectroscopy (IR)) were used to characterize the clays and nanoclays. The emulsions were prepared in a colloidal mill, using 30 minutes and 1 hour as mixing time. After, the emulsions were characterized. The following tests were performed, in accordance with the Brazilian specifications (DNER- 369/97): sieve analysis, Saybolt Furol viscosity, pH determination, density, settlement and storage stability, residue by evaporation, and penetration of residue. Finally, it can be concluded that the use of nanoclays as asphalt modifiers represent a viable alternative to the road paving industry / Com o aumento da demanda por asfaltos, faz-se necess?rio o desenvolvimento de t?cnicas que melhorem a qualidade e aumentem o tempo de vida ?til dos pavimentos. Com isso, cresce a aplica??o das emuls?es asf?lticas, que s?o produzidas a partir de uma mistura de Cimento Asf?ltico de Petr?leo (CAP) e uma fase aquosa, tendo como principal vantagem a redu??o de custos energ?ticos devido a sua aplica??o ser a frio. Neste trabalho foram obtidas emuls?es asf?lticas convencionais e modificadas. Para a obten??o de emuls?es asf?lticas convencionais foram utilizados os seguintes constituintes: asfalto, ?gua, solvente e aditivos. As emuls?es asf?lticas modificadas foram desenvolvidas a partir da adi??o de um agente modificante ?s emuls?es asf?lticas convencionais. Os agentes modificantes utilizados foram a bentonita e a vermiculita natural e modificadas com tensoativos. Primeiramente, preparou-se uma emuls?o asf?ltica convencional nas seguintes propor??es: 50% de CAP 50/70, 0,6% de aditivos e 3% de emulsificante em rela??o ? quantidade de asfalto, 20% de solvente e 26,4% de ?gua. Para a obten??o da emuls?o asf?ltica modificada, foi utilizada a bentonita e vermiculita como agente modificador em propor??es de 1% e 4 %. Os constituintes foram adicionados ao moinho coloidal por per?odos de 30 e 60 minutos. Foram realizados 26 ensaios, onde a bentonita e vermiculita foram adicionadas na sua forma natural, na forma organof?lica e na forma organof?lica em meio ?cido. Para a obten??o da argila organof?lica e organof?lica em meio ?cido utilizou-se o m?todo de Qian et al. (2011), com adapta??es. Para caracteriza??o das argilas e nanoargilas utilizou-se a t?cnica de espectroscopia no infravermelho (IV). Ap?s o per?odo de emulsifica??o, foram realizados os ensaios para caracteriza??o da emuls?o obtida. Os seguintes ensaios foram realizados, de acordo com as especifica??es t?cnicas (DNER-EM 369/97): peneiramento, viscosidade Saybolt Furol, pH, densidade, sedimenta??o, res?duo por evapora??o e penetra??o. Por fim, pode-se concluir que as emuls?es asf?lticas modificadas com nanoargilas apresentam-se como uma alternativa para o setor de pavimenta??o

Submitted by Raquel Vergara Gondran (raquelvergara38@yahoo.com.br) on 2016-04-27T01:25:16Z No. of bitstreams: 1 ariane schmidt furtado - produo avaliao e aplicao de um extrato proteico proveniente da microalga spirulina platensis.pdf: 2077158 bytes, checksum: 505e9db59057e32477cace2f937214ac (MD5) / Approved for entry into archive by Gilmar Barros (gilmargomesdebarros@gmail.com) on 2016-04-29T21:21:35Z (GMT) No. of bitstreams: 1 ariane schmidt furtado - produo avaliao e aplicao de um extrato proteico proveniente da microalga spirulina platensis.pdf: 2077158 bytes, checksum: 505e9db59057e32477cace2f937214ac (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-29T21:21:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ariane schmidt furtado - produo avaliao e aplicao de um extrato proteico proveniente da microalga spirulina platensis.pdf: 2077158 bytes, checksum: 505e9db59057e32477cace2f937214ac (MD5) Previous issue date: 2013 / A microalga Spirulina platensis é uma fonte renovável e não-convencional de proteínas que pode ser aplicada na confecção de filmes biopoliméricos, para serem utilizados na produção de embalagens biodegradáveis, minimizando agressões ao meio ambiente e agregando valor a esta matéria-prima antes utilizada principalmente como ração animal. Com base nisso, este trabalho teve por objetivo a produção, avaliação e aplicação de filmes nanocompósitos obtidos a partir de extrato proteico proveniente da microalga Spirulina platensis. Para tanto, inicialmente foi obtido um extrato proteico da Spirulina (EPS) através de extração química por variação do pH. Este extrato, contendo 64 % de proteína (base seca), foi avaliado quanto à sua composição de aminoácidos e caracterizado quanto à sua funcionalidade (solubilidade; capacidade de retenção de água e óleo; capacidade espumante; estabilidade espumante). Posteriormente, o EPS foi utilizado como matéria-prima para obtenção de filmes proteicos nanocompósitos com adição de nanoargila montmorilonita (MMT). A obtenção dos mesmos foi realizada através do preparo de soluções filmogênicas, seguido da técnica de casting e secagem a 40 °C (±2 °C) em estufa com circulação de ar. Foram utilizados dois tipos de planejamento: um para avaliar as variáveis do processo de obtenção dos filmes (Planejamento Fatorial Fracionário) e outro para determinar as melhores condições de obtenção dos filmes (Delineamento Central Composto Rotacional - DCCR). Os filmes foram avaliados quanto às suas propriedades mecânicas (resistência à tração - RT, e elongação) e ópticas (diferença de cor - ΔE* e opacidade – Y %), espessura, permeabilidade ao vapor de água (PVA), solubilidade em água e umidade (U %). Com base na menor PVA (8,51 g.mm.(kPa. d. m2 ) -1 ) e umidade (12,7 %), o filme escolhido para ser utilizado como parte de um sistema de embalagem individual para massa de pizza teve a seguinte formulação: 4,5 g de EPS, 1,35 g de glicerol e 0,1 g de MMT em 150 mL de água destilada, pH 11,0 e temperatura final do processo de 75 °C (ensaio 5 do DCCR). Ele foi um dos filmes menos espesso (0,092 mm), elástico (elongação de 16 %), escuro e opaco, apresentou RT de 2,49 MPa (dentre as maiores) e foi o mais solúvel dos filmes, com solubilidade de 69,2 %. Foi avaliada a eficiência deste filme como parte do sistema de embalagem através de análises de perda de massa, textura e contagem de bolores e leveduras nas pizzas. Verificou-se que o mesmo não foi eficiente em conservar as massas de pizza, pois permitiu uma grande perda de massa e alterações inaceitáveis na textura, indicando assim uma alta permeabilidade ao vapor de água, o que também é indesejável. De modo geral, concluiu-se que é possível obter um extrato proteico a partir de Spirulina e aplicá-lo como matéria-prima de filmes proteicos nanocompósito com adição de MMT. No entanto, o filme em questão não foi eficiente quando aplicado como embalagem para conservação de massa de pizza. / Microalgae Spirulina platensis are a renewable, unconventional source of protein which can generate biopolymeric films to be applied on the production of biodegradable packaging, minimizing environmental damage and adding economic value to a raw material mostly used as animal feed. Based on that, the purpose of this study was to product, evaluate and test an application of nanocomposite films obtained from protein concentrate of Spirulina platensis microalgae. In that regard, a Spirulina-based protein concentrate (SPC) was developed by chemical extraction through pH-shift process. This concentrate contains 64 % protein (dry base) and the tests analyzed its amino acid composition and its functionality (solubility; water/oil absorption capability; capacity of producing foam; foam stability). Afterwards, the SPC was used as raw material to produce nanocomposite protein films with addition of montmorillonite nanoclay (MMT). The production was done using filmogenic solutions, followed by casting and drying at 40 °C (±2 °C) in incubator with blower. Two types of planning were used: Fractional Factorial Planning (FFP), to evaluate film-producing process variables, and Central Composite Rotational Delineation (CCRD), to settle the best conditions to make the films. Those films had their mechanical (tensile strength – TS and elongation) and optical (color deviation and opacity) properties analyzed, as well as thickness, water steam permeability, solubility in water and humidity. Based on the smaller permeability (8.51 g.mm.(kPa. d. m2 ) -1 ) and humidity (12.7 %), the film chosen for use as part of a system of individual packing for pizza dough had the following formulation: 4.5 g of SPC, 1.35 g of glycerol and 0.1 g of MMT in 150 mL of distilled water, pH 11.0 and final process temperature of 75 ºC (CCRD sample no. 5). That film was one of the thinnest (0.092 mm) and less elastic (16 % of elongation), dark and opaque, as well as it had a TS of 2.49 MPa (one of the highest) and was the most soluble (69.2 % of solubility). Its efficiency as part of a packaging system was evaluated by texture, mass losses and mold and yeast count. The tests showed that the film is inefficient to preserve pizza dough, since it was unable to avoid large mass losses and inacceptable texture modifications, indicating moreover high permeability to water steam, which is also undesirable. In conclusion, it is possible to obtain a Spirulina-based protein concentrate and use it to make nanocomposite protein films with addition of MMT. Nevertheless, the film tested in this study is inefficient as part of a packaging system for pizza dough.

Os sistemas que combinam processos biológicos com a tecnologia de separação por membranas, com crescimento biológico em suspensão, Membrane Bioreactor (MBR) e crescimento biológico aderido, Moving Bed Membrane Bioreactor (MB-MBR), se destacam como opções compactas e eficientes para tratamento de esgoto doméstico.Embora esta tecnologia seja muito promissora, ainda apresenta como maior desafio a redução de desempenho das membranas, que é causada por um fenômeno complexo denominado depósito, ou fouling, em inglês. Como forma de melhorar o desempenho e prolongar a vida útil das membranas a adição de nanopartículas de argila durante o processo de síntese tem se mostrado eficiente. O presente estudo teve como objetivo determinar a melhor composição para a síntese de membranas em polietersulfona modificadas pela adição de nanopartículas de argila e avaliar o seu desempenho no tratamento de esgoto sanitário, gerado na moradia estudantil do campus São Paulo da Universidade de São Paulo, em sistemas MBR e MB-MBR. A melhor composição para a síntese das membranas modificadas foi de 4% de nanopartículas de argila e 4% de formador de poros, ambos em relação à massa do polímero utilizado. Essa composição resultou em membranas com permeabilidade média de 293 L.m-2.h-1.bar-1, para água desmineralizada enquanto as membranas sem modificação apresentaram permeabilidade inferior a 50 L.m-2.h-1.bar-1, sendo, portanto, essa composição selecionada para sintetizar as membranas utilizadas durante a operação dos sistemas de tratamento por MBR e MB-MBR. Para efeito de comparação, o estudo foi desenvolvido com membranas modificadas e comerciais, no mesmo reator. Durante a operação do sistema MBR, com membranas modificadas e membranas comerciais, a concentração média de Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO5) na alimentação do sistema foi de 440 mg.L-1 e a eficiência de remoção foi superior a 94%. Quando o sistema MBR passou a operar com concentração de Sólidos Suspensos Totais (SST) superior a 8.000 mg.L-1, condição considerada de equilíbrio, a permeabilidade média das membranas modificadas, normalizada para 20 ºC, foi de 1.166,1 L.m-2.h-1.bar-1, enquanto para as membranas comerciais a permeabilidade foi de 326,7 L.m-2.h-1.bar-1. O fluxo de permeado médio, para o sistema MBR, foi em torno de 6 L.m-2.h-1, tanto para as membranas modificadas quanto para as membranas comerciais avaliadas na etapa de operação em equilíbrio. Com a operação dos sistemas MBR e MB-MBR em paralelo, com as membranas modificadas, concluiu-se que, embora as qualidades dos permeados produzidos tenham sido similares, o sistema MB-MBR apresentou menores pressões de operação e, consequentemente, menor propensão à formação de depósitos. Os ensaios de filtrabilidade demonstram que as membranas modificadas apresentaram menor resistência à filtração que as membranas comerciais para o liquor misto de MBR e MB-MBR, no entanto o liquor misto do sistema MB-MBR apresentou menor resistência a filtração. De modo geral, concluiu-se que a adição de nanopartículas de argila na modificação das membranas resultou em poros mais longos, favorecendo o aumento da permeabilidade das membranas modificadas em relação às membranas comerciais. Quanto a operação dos sistemas MBR e MB-MBR em paralelo, a pressão transmembrana para o sistema MB-MBR foi em torno de 10 vezes menor que a pressão transmembrana no sistema MBR. Maiores concentrações de sólidos em suspensão totais no liquor misto dos sistemas de MBR e MB-MBR, resultaram em maiores fluxos críticos e, consequentemente, maior produção de permeado. / Treatment systems that combine activated sludge processes, with suspended or adhered growth, with membrane technology, Membrane Bioreactor (MBR) and Moving Bed Membrane Bioreactor (MB-MBR) are considered compact and efficient options for domestic wastewater treatment. Although this promising technology still presents the reduction of membrane performance as a relevant issue. This reduction on the membrane performance is caused by a complex phenomenon called fouling. An approach to improve the membrane performance and extend its life span is the addition of nanoclay during the synthesis process. Considering what was exposed, this study aimed the production and evaluation of composite polyethersulfone and clay nanoparticles membranes for domestic wastewater treatment. For this purpose, two pilot plants were constructed using the produced membranes for the treatment of the wastewater from the student housing at the University of São Paulo. The best composition of the modified membranes was 4% of nanoclay and 4% of pore former, both based on the polymer mass. This composition resulted in membranes with an average permeability of 293 L.m-2.h-1.bar-1 for demineralized water while membranes without modification had a permeability of less than 50 L.m-2.h-1.bar-1. For performance comparison, commercial membranes were used in the same pilot reactor. During the operation, the average Biological Oxygen Demand (BOD5) from raw effluent was 440 mg.L-1 and the removal efficiency was higher than 94%, for both treatment systems. When the MBR system started to operate with a Total Suspended Solids (TSS) concentration above 8,000 mg.L-1, it reached a stable condition in which the average permeability of the modified membranes, normalized to 20 ° C, was 1,166.1 L.m-2.h-1.bar-1, while for the commercial membranes the permeability was 326.7 L.m-2.h-1.bar-1. The average permeates flux for the MBR system was 6 L.m-2.h-1 for both the membranes types operating at stable conditions. With MBR and MB-MBR systems operating in parallel, with modified membranes, it was found that the quality of the produced permeates were similar, but the MB-MBR system presented lower operating pressures and, consequently, lower propensity to fouling. The filterability assays demonstrated that the modified membranes presented less resistance to filtration of MBR and MB-MBR mixed liquor than the commercial membranes. However, the MB-MBR mixed liquor presented less resistance to filtration. Overall, the comparison tests allowed to conclude that the nanoclay addition in the modification of the membranes resulted in longer pores, which increased the modified membranes permeability. Regarding the operation of the MBR and MB-MBR systems, the transmembrane pressure for the MB-MBR system was about 10 times lower than the transmembrane pressure in the MBR system. Higher concentrations of total suspended solids in the mixed liquor of the MBR and MB-MBR systems resulted in higher critical fluxes and, consequently, higher permeate production.

Membrane structure modification is a common approach to enhance membrane properties and performance. For example, the addition of dopants to the membrane casting solution has been observed to increase hydrophilicity, alter surface and internal pore structure, increase thermal and mechanical resistance, and impart anti-fouling properties. In this study, it was evaluated how the addition of individual and simultaneous nanoclay and polyethylene oxide (PEO) dopants affected the structure and performance of polysulfone (PSU) ultrafiltration membranes. Membrane performance was evaluated in the cross-flow configuration. The pure water permeability of the neat PSU membrane was 15 L/m².h.bar and at the optimal dosage of the individually doped membranes was 1.5% weight nanoclay to PSU and 5% weight PEO to PSU resulting in permeability of 56 and 237 L/m².h.bar, respectively. Simultaneous doping using the optimal individual weight percentages had a lower effect resulting in a permeability of 192 L/m².h.bar, in contrast the simultaneous addition of 4.5% nanoclay and 5% PEO had a higher effect resulting in a permeability of 319 L/m².h.bar. The control membrane was compared to the referred membranes and with the 4.5% nanoclay membrane (best permeability only when combined with PEO). These membranes were further examined to determine dopant effects on pore microstructure, superficial charge, separation performance, and fouling susceptibility. In general, doping with nanoclay improved membrane thermal/mechanical resistance and permeability with minimal loss in rejection. Doping with PEO resulted in a greater permeability as compared to nanoclay; however, PEO doping decreased rejection, mechanical resistance, and increased irreversible fouling. Thus, both advantageous and disadvantageous effects should be considered when selecting a dopant to optimize membrane performance. / A modificação da estrutura de membranas é uma abordagem utilizada para melhorar as propriedades de membranas e desempenho de um sistema. Por exemplo, a adição de dopantes na solução de síntese da membrana permite aumentar a hidrofilicidade, alterar a estrutura de poros superficiais e internos e conferir propriedades anti-depósitos. Neste estudo, foi avaliada como a adição de óxido de polietileno e de nano-argila afetam a estrutura e desempenho de membranas de ultrafiltração de polisulfona (PSU). O desempenho da membrana foi avaliado na configuração de fluxo paralelo (cross-flow). A permeabilidade média à água pura da membrana de PSU pura foi de 15 L/m2.h.bar. As dosagem ótimas das membranas dopadas individualmente foram de 1,5% em massa de PSU para nano-argila e 5% em massa de PSU para PEO, resultando em permeabilidades médias de 56 e 237 L/m2.h.bar, respectivamente. A dopagem simultânea usando ambas as percentagens individuais ótimas teve um efeito menor do que o esperado, resultando em uma permeabilidade média de 192 L/m2.h.bar. Em contraste, verificou-se que a adição simultânea de 4,5% de nano-argila combinada com 5% de PEO teve um efeito maior do que o uso isolado dos aditivos, resultando em uma permeabilidade média de 319 L/m2.h.bar. Desta forma, a membrana de controle foi comparada com as referidas membranas e com membranas compostas somente por nano-argila a 4,5. Estas membranas foram ainda examinadas em detalhes para determinar os efeitos dos dopantes na microestrutura dos poros, cargas superficiais, desempenho da separação, sensibilidade à formação de depósitos, rugosidade superficial e propriedades térmicas e mecânicas. Verificou-se que a dopagem com nano-argila melhora a resistência térmica e mecânica e a permeabilidade das membranas, com uma perda mínima na rejeição. A dopagem com PEO resultou em um aumento notável de permeabilidade em comparação com a adição individual de nano-argila. No entanto, a capacidade de rejeição e resistência térmica e mecânica destas membranas diminuem e a formação de depósitos irreversíveis aumenta. Desta forma, avalia-se que para a utilização de mais de um tipo de dopante os efeitos vantajosos e desvantajosos devem ser considerados individualmente e em conjunto no esforço de se otimizar o desempenho de sistemas de membranas.

Membrane structure modification is a common approach to enhance membrane properties and performance. For example, the addition of dopants to the membrane casting solution has been observed to increase hydrophilicity, alter surface and internal pore structure, increase thermal and mechanical resistance, and impart anti-fouling properties. In this study, it was evaluated how the addition of individual and simultaneous nanoclay and polyethylene oxide (PEO) dopants affected the structure and performance of polysulfone (PSU) ultrafiltration membranes. Membrane performance was evaluated in the cross-flow configuration. The pure water permeability of the neat PSU membrane was 15 L/m².h.bar and at the optimal dosage of the individually doped membranes was 1.5% weight nanoclay to PSU and 5% weight PEO to PSU resulting in permeability of 56 and 237 L/m².h.bar, respectively. Simultaneous doping using the optimal individual weight percentages had a lower effect resulting in a permeability of 192 L/m².h.bar, in contrast the simultaneous addition of 4.5% nanoclay and 5% PEO had a higher effect resulting in a permeability of 319 L/m².h.bar. The control membrane was compared to the referred membranes and with the 4.5% nanoclay membrane (best permeability only when combined with PEO). These membranes were further examined to determine dopant effects on pore microstructure, superficial charge, separation performance, and fouling susceptibility. In general, doping with nanoclay improved membrane thermal/mechanical resistance and permeability with minimal loss in rejection. Doping with PEO resulted in a greater permeability as compared to nanoclay; however, PEO doping decreased rejection, mechanical resistance, and increased irreversible fouling. Thus, both advantageous and disadvantageous effects should be considered when selecting a dopant to optimize membrane performance. / A modificação da estrutura de membranas é uma abordagem utilizada para melhorar as propriedades de membranas e desempenho de um sistema. Por exemplo, a adição de dopantes na solução de síntese da membrana permite aumentar a hidrofilicidade, alterar a estrutura de poros superficiais e internos e conferir propriedades anti-depósitos. Neste estudo, foi avaliada como a adição de óxido de polietileno e de nano-argila afetam a estrutura e desempenho de membranas de ultrafiltração de polisulfona (PSU). O desempenho da membrana foi avaliado na configuração de fluxo paralelo (cross-flow). A permeabilidade média à água pura da membrana de PSU pura foi de 15 L/m2.h.bar. As dosagem ótimas das membranas dopadas individualmente foram de 1,5% em massa de PSU para nano-argila e 5% em massa de PSU para PEO, resultando em permeabilidades médias de 56 e 237 L/m2.h.bar, respectivamente. A dopagem simultânea usando ambas as percentagens individuais ótimas teve um efeito menor do que o esperado, resultando em uma permeabilidade média de 192 L/m2.h.bar. Em contraste, verificou-se que a adição simultânea de 4,5% de nano-argila combinada com 5% de PEO teve um efeito maior do que o uso isolado dos aditivos, resultando em uma permeabilidade média de 319 L/m2.h.bar. Desta forma, a membrana de controle foi comparada com as referidas membranas e com membranas compostas somente por nano-argila a 4,5. Estas membranas foram ainda examinadas em detalhes para determinar os efeitos dos dopantes na microestrutura dos poros, cargas superficiais, desempenho da separação, sensibilidade à formação de depósitos, rugosidade superficial e propriedades térmicas e mecânicas. Verificou-se que a dopagem com nano-argila melhora a resistência térmica e mecânica e a permeabilidade das membranas, com uma perda mínima na rejeição. A dopagem com PEO resultou em um aumento notável de permeabilidade em comparação com a adição individual de nano-argila. No entanto, a capacidade de rejeição e resistência térmica e mecânica destas membranas diminuem e a formação de depósitos irreversíveis aumenta. Desta forma, avalia-se que para a utilização de mais de um tipo de dopante os efeitos vantajosos e desvantajosos devem ser considerados individualmente e em conjunto no esforço de se otimizar o desempenho de sistemas de membranas.

Os sistemas que combinam processos biológicos com a tecnologia de separação por membranas, com crescimento biológico em suspensão, Membrane Bioreactor (MBR) e crescimento biológico aderido, Moving Bed Membrane Bioreactor (MB-MBR), se destacam como opções compactas e eficientes para tratamento de esgoto doméstico.Embora esta tecnologia seja muito promissora, ainda apresenta como maior desafio a redução de desempenho das membranas, que é causada por um fenômeno complexo denominado depósito, ou fouling, em inglês. Como forma de melhorar o desempenho e prolongar a vida útil das membranas a adição de nanopartículas de argila durante o processo de síntese tem se mostrado eficiente. O presente estudo teve como objetivo determinar a melhor composição para a síntese de membranas em polietersulfona modificadas pela adição de nanopartículas de argila e avaliar o seu desempenho no tratamento de esgoto sanitário, gerado na moradia estudantil do campus São Paulo da Universidade de São Paulo, em sistemas MBR e MB-MBR. A melhor composição para a síntese das membranas modificadas foi de 4% de nanopartículas de argila e 4% de formador de poros, ambos em relação à massa do polímero utilizado. Essa composição resultou em membranas com permeabilidade média de 293 L.m-2.h-1.bar-1, para água desmineralizada enquanto as membranas sem modificação apresentaram permeabilidade inferior a 50 L.m-2.h-1.bar-1, sendo, portanto, essa composição selecionada para sintetizar as membranas utilizadas durante a operação dos sistemas de tratamento por MBR e MB-MBR. Para efeito de comparação, o estudo foi desenvolvido com membranas modificadas e comerciais, no mesmo reator. Durante a operação do sistema MBR, com membranas modificadas e membranas comerciais, a concentração média de Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO5) na alimentação do sistema foi de 440 mg.L-1 e a eficiência de remoção foi superior a 94%. Quando o sistema MBR passou a operar com concentração de Sólidos Suspensos Totais (SST) superior a 8.000 mg.L-1, condição considerada de equilíbrio, a permeabilidade média das membranas modificadas, normalizada para 20 ºC, foi de 1.166,1 L.m-2.h-1.bar-1, enquanto para as membranas comerciais a permeabilidade foi de 326,7 L.m-2.h-1.bar-1. O fluxo de permeado médio, para o sistema MBR, foi em torno de 6 L.m-2.h-1, tanto para as membranas modificadas quanto para as membranas comerciais avaliadas na etapa de operação em equilíbrio. Com a operação dos sistemas MBR e MB-MBR em paralelo, com as membranas modificadas, concluiu-se que, embora as qualidades dos permeados produzidos tenham sido similares, o sistema MB-MBR apresentou menores pressões de operação e, consequentemente, menor propensão à formação de depósitos. Os ensaios de filtrabilidade demonstram que as membranas modificadas apresentaram menor resistência à filtração que as membranas comerciais para o liquor misto de MBR e MB-MBR, no entanto o liquor misto do sistema MB-MBR apresentou menor resistência a filtração. De modo geral, concluiu-se que a adição de nanopartículas de argila na modificação das membranas resultou em poros mais longos, favorecendo o aumento da permeabilidade das membranas modificadas em relação às membranas comerciais. Quanto a operação dos sistemas MBR e MB-MBR em paralelo, a pressão transmembrana para o sistema MB-MBR foi em torno de 10 vezes menor que a pressão transmembrana no sistema MBR. Maiores concentrações de sólidos em suspensão totais no liquor misto dos sistemas de MBR e MB-MBR, resultaram em maiores fluxos críticos e, consequentemente, maior produção de permeado. / Treatment systems that combine activated sludge processes, with suspended or adhered growth, with membrane technology, Membrane Bioreactor (MBR) and Moving Bed Membrane Bioreactor (MB-MBR) are considered compact and efficient options for domestic wastewater treatment. Although this promising technology still presents the reduction of membrane performance as a relevant issue. This reduction on the membrane performance is caused by a complex phenomenon called fouling. An approach to improve the membrane performance and extend its life span is the addition of nanoclay during the synthesis process. Considering what was exposed, this study aimed the production and evaluation of composite polyethersulfone and clay nanoparticles membranes for domestic wastewater treatment. For this purpose, two pilot plants were constructed using the produced membranes for the treatment of the wastewater from the student housing at the University of São Paulo. The best composition of the modified membranes was 4% of nanoclay and 4% of pore former, both based on the polymer mass. This composition resulted in membranes with an average permeability of 293 L.m-2.h-1.bar-1 for demineralized water while membranes without modification had a permeability of less than 50 L.m-2.h-1.bar-1. For performance comparison, commercial membranes were used in the same pilot reactor. During the operation, the average Biological Oxygen Demand (BOD5) from raw effluent was 440 mg.L-1 and the removal efficiency was higher than 94%, for both treatment systems. When the MBR system started to operate with a Total Suspended Solids (TSS) concentration above 8,000 mg.L-1, it reached a stable condition in which the average permeability of the modified membranes, normalized to 20 ° C, was 1,166.1 L.m-2.h-1.bar-1, while for the commercial membranes the permeability was 326.7 L.m-2.h-1.bar-1. The average permeates flux for the MBR system was 6 L.m-2.h-1 for both the membranes types operating at stable conditions. With MBR and MB-MBR systems operating in parallel, with modified membranes, it was found that the quality of the produced permeates were similar, but the MB-MBR system presented lower operating pressures and, consequently, lower propensity to fouling. The filterability assays demonstrated that the modified membranes presented less resistance to filtration of MBR and MB-MBR mixed liquor than the commercial membranes. However, the MB-MBR mixed liquor presented less resistance to filtration. Overall, the comparison tests allowed to conclude that the nanoclay addition in the modification of the membranes resulted in longer pores, which increased the modified membranes permeability. Regarding the operation of the MBR and MB-MBR systems, the transmembrane pressure for the MB-MBR system was about 10 times lower than the transmembrane pressure in the MBR system. Higher concentrations of total suspended solids in the mixed liquor of the MBR and MB-MBR systems resulted in higher critical fluxes and, consequently, higher permeate production.

Tesis por compendio / [ES] La preocupación por la salud del planeta ha aumentado drásticamente y los efluentes textiles son de los más contaminantes en la industria a nivel mundial. Los procesos de ennoblecimiento textil y en especial los de tintorería, vierten grandes cantidades de residuos de difícil tratamiento como los colorantes. Las nanoarcillas pueden limpiar las aguas residuales de colorantes gracias a su capacidad de adsorción. En este trabajo fue posible analizar y cuantificar la cantidad de iones metálicos sustituidos por colorantes aniónicos cuando se adsorben, y determinar la cantidad óptima de nanoarcilla que debe utilizarse para adsorber todo el colorante. Las pruebas demostraron la cantidad específica de nanoarcilla que debe utilizarse y cómo optimizar los procesos posteriores de separación y procesamiento de la nanoarcilla. Se utilizó hidrotalcita como material adsorbente. En esta investigación se utilizaron diversos tipos colorantes, directos, reactivos, catiónicos y dispersos. Los patrones de difracción de rayos X (DRX) permitieron comprobar la recuperación de la forma de la hidrotalcita y confirmaron la adsorción de los colorantes. Se utilizó un análisis FTIR, XPS y EDX para comprobar la presencia de grupos característicos de los colorantes en los híbridos resultantes. Las pruebas termogravimétricas (TGA) corroboraron la adsorción del colorante y la mejora de la solidez térmica. La reflectancia solar total (TSR) mostró una mayor protección frente a la radiación UV-VIS-NIR. Gracias a los trabajos realizados, se ha podido establecer el punto máximo de adsorción de la hidrotalcita. Además, mediante la utilización de nanotecnologias han podido colorear sustratos textiles con nuevas técnicas de estampación aprovechando colorantes que se han desechado de baños de tintura no agotados. Las estampaciones obtenidas se someten a pruebas de solidez del color para compararlos con estampaciones más convencionales. Se realizaron mediciones del color mediante espectrofotómetros de reflexión para valorar el resultado del color tanto de los híbridos como de los textiles estampados exitosamente. Las pruebas de TGA-DTGA realizadas previamente a las estampaciones sobre los híbridos, permite adelantarse a los resultados de ciertas pruebas de solidez del color a la luz o el planchado, las cuales se ven mejoradas gracias a las acción de la hidrotalcita. Otro uso de las nanoarcillas híbridas obtenidas de la adsorción de colorantes es el de realizar nuevos baños de tintura para sustratos textiles. Mediante el uso del nanoadsorbente hidrotalcita, han logrado adsorber y recuperar colorantes de diferente carga como aniónicos, catiónicos y no iónicos para reutilizarlos de forma exitosa en nuevos baños de tintura. Las tinturas realizadas sobre tejidos de algodón, poliéster y acrílico han sido sometidas a diferentes pruebas de degradación del color para ver su viabilidad como productos finales, utilizando la espectroscopía de reflexión para la medida del atributo de color antes y después de los ensayos, mostrando resultados muy coherentes a los de una tintura convencional. / [CA] La preocupació per la salut del planeta ha augmentat dràsticament i els efluents tèxtils són dels més contaminants en la indústria a nivell mundial. Els processos d'ennobliment tèxtil i especialment els de tintoreria, aboquen grans quantitats de residus de difícil tractament com els colorants. Les nanoargiles poden netejar les aigües residuals de colorants gràcies a la seua capacitat d'adsorció. En aquest treball va ser possible analitzar i quantificar la quantitat d'ions metàl·lics substituïts per colorants aniònics quan es adsorben, i determinar la quantitat òptima de nanoarcilla que ha d'utilitzar-se per a adsorber tot el colorant. Les proves van demostrar la quantitat específica de nanoargila que ha d'utilitzar-se i com optimitzar els processos posteriors de separació i processament de la nanoargila. Es va utilitzar hidrotalcita com a material adsorbent. En aquesta investigació es van utilitzar diversos tipus colorants, directes, reactius, catiònics i dispersos. Els patrons de difracció de raigs X (DRX) van permetre comprovar la recuperació de la forma de la hidrotalcita i van confirmar l'adsorció dels colorants. Es va utilitzar una anàlisi FTIR, XPS i EDX per a comprovar la presència de grups característics dels colorants en els híbrids resultants. Les proves termogravimétricas (TGA) van corroborar l'adsorció del colorant i la millora de la solidesa tèrmica. La reflectància solar total (TSR) va mostrar una major protecció enfront de la radiació UV-VIS-NIR. Gràcies als treballs realitzats, s'ha pogut establir el punt màxim d'adsorció de la hidrotalcita. A més, mitjançant la utilització de nanotecnologies han pogut acolorir substrats tèxtils amb noves tècniques d'estampació aprofitant colorants que s'han rebutjat de banys de tintura no esgotats. Les estampacions obtingudes se sotmeten a proves de solidesa del color per a comparar-los amb estampacions més convencionals. Es van realitzar mesuraments del color mitjançant espectrofotòmetres de reflexió per a valorar el resultat del color tant dels híbrids com dels tèxtils estampats reeixidament. Les proves de TGA-DTGA realitzades prèviament a les estampacions sobre els híbrids, permet avançar-se als resultats d'unes certes proves de solidesa del color a la llum o el planxat, les quals es veuen millorades gràcies a les acció de la hidrotalcita. Un altre ús de les nanoargiles híbrides obtingudes de l'adsorció de colorants és el de realitzar nous banys de tintura per a substrats tèxtils. Mitjançant l'ús del nanoadsorbente hidrotalcita, han aconseguit adsorber i recuperar colorants de diferent càrrega com a aniònics, catiònics i no iònics per a reutilitzar-los de manera reeixida en nous banys de tintura. Les tintures realitzades sobre teixits de cotó, polièster i acrílic han sigut sotmeses a diferents proves de degradació del color per a veure la seua viabilitat com a productes finals, utilitzant la espectroscopía de reflexió per a la mesura de l'atribut de color abans i després dels assajos, mostrant resultats molt coherents als d'una tintura convencional. / [EN] Concern for the health of the planet has increased dramatically and textile effluents are among the most polluting in the industry worldwide. Textile finishing processes, especially dyeing, discharge large quantities of difficult-to-treat wastes such as dyestuffs. Nanoclays can clean wastewater of dyes thanks to their adsorption capacity. In this work it was possible to analyze and quantify the amount of metal ions substituted by anionic dyes when adsorbed, and to determine the optimum amount of nanoclay to be used to adsorb all the dye. The tests demonstrated the specific amount of nanoclay to be used and how to optimize the subsequent processes of separation and processing of the nanoclay. Hydrotalcite was used as the adsorbent material. Various types of dyes, direct, reactive, cationic and disperse dyes were used in this investigation. X-ray diffraction (XRD) patterns verified the recovery of the hydrotalcite form and confirmed the adsorption of the dyes. FTIR, XPS and EDX analysis were used to check the presence of characteristic groups of the dyes in the resulting hybrids. Thermogravimetric tests (TGA) corroborated dye adsorption and enhanced thermal robustness. Total solar reflectance (TSR) showed enhanced protection against UV-VIS-NIR radiation. Thanks to the work carried out, it was possible to establish the maximum adsorption point of hydrotalcite. In addition, by using nanotechnologies it is possible to color textile substrates with new printing techniques, taking advantage of dyes that have been discarded from dye baths that have not been exhausted. The prints obtained are subjected to color fastness tests to compare them with more conventional prints. Color measurements were performed using reflection spectrophotometers to assess the color performance of both hybrids and successfully printed textiles. The TGA-DTGA tests performed prior to printing on the hybrids allows to anticipate the results of certain color fastness tests to light or ironing, which are improved thanks to the action of the hydrotalcite. Various types of dyes, direct, reactive, cationic and disperse dyes were used in this investigation. X-ray diffraction (XRD) patterns verified the recovery of the hydrotalcite form and confirmed the adsorption of the dyes. FTIR, XPS and EDX analysis were used to check the presence of characteristic groups of the dyes in the resulting hybrids. Thermogravimetric tests (TGA) corroborated dye adsorption and enhanced thermal robustness. Total solar reflectance (TSR) showed enhanced protection against UV-VIS-NIR radiation. Thanks to the work carried out, it was possible to establish the maximum adsorption point of hydrotalcite. In addition, by using nanotechnologies it is possible to color textile substrates with new printing techniques, taking advantage of dyes that have been discarded from dye baths that have not been exhausted. The prints obtained are subjected to color fastness tests to compare them with more conventional prints. Color measurements were performed using reflection spectrophotometers to assess the color performance of both hybrids and successfully printed textiles. The TGA-DTGA tests performed prior to printing on the hybrids allows to anticipate the results of certain color fastness tests to light or ironing, which are improved thanks to the action of the hydrotalcite. / López Rodríguez, D. (2023). Recuperación del colorante de aguas residuales textiles mediante nanoarcillas para su reutilización como pigmentos y nuevos baños de tintura [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/194877 / Compendio

Food packaging plays a crucial role in protecting and storing food to keep the products fresh and reduce waste. There is a need to increase the number of paper packages in the food industry to meet the growing demand. Therefore, barrier coatings are an essential aspect of the paper industry since they have good resistance to grease and moisture, which protects the food. The development and improvement of these barrier coatings have the potential to contribute to the advancement of environmentally friendly food packaging. This work aims to examine the impact of rheological behavior and properties on the runnability and barrier performance of barrier coating formulations containing two different kaolin clays, Speswhite (K1) and Capim NP (K2), with the addition of nanoclay in varying amounts. Different formulations were tested as multilayer barrier coatings on lab- and pilot-scale in order to determine the effect of various nanoclay concentrations on runnability, water retention, and rheology properties. Various measurement techniques have been used to obtain a wide range of information on the rheological properties, including the viscosity, under varied shear rate ranges. Also studied are runnability, grease and moisture barrier performance, water retention, and high shear testing for rheology to determine flow behavior. The results show that the viscosity was higher on the lab scale than on the pilot scale due to the poor nanoclay dispersion at the pilot scale. As expected for this type of barrier coating, the KIT-test revealed that the grease barrier was highly effective. Measurements of water retention were good for the low amounts of nanoclay content. Lastly, the shear testing gave very similar results between all the different barrier coating formulas. It was determined that a low nanoclay content gave a good barrier coating performance. However, a higher nanoclay content resulted in decreased water resistance compared to a coating with a low nanoclay content. / Livsmedelsförpackningar spelar en avgörande roll för att skydda och lagra mat för att hålla produkterna fräscha och minska avfallet. Det finns ett behov av att öka antalet pappersförpackningar inom livsmedelsindustrin för att möta den växande efterfrågan. Därför är barriärbestrykningar en väsentlig del av pappersindustrin eftersom de har god motståndskraft mot fett och fukt, vilket skyddar maten. Utvecklingen och förbättringen av dessa barriärbestrykningar har potential att bidra till utvecklingen av miljövänliga livsmedelsförpackningar. Detta arbete syftar till att undersöka inverkan av reologiskt beteende och egenskaper på körbarheten och barriärprestandan hos barriärbestryknings-formuleringar som innehåller två olika kaolinleror, Speswhite (K1) och Capim NP (K2), med tillsats av nanolera i varierande mängder. Olika formuleringar testades som flerskiktsbarriärbestrykningar i laboratorie- och pilotskala för att bestämma effekten av olika nanolerakoncentrationer på körbarhet, vattenretention och reologiska egenskaper. Olika mättekniker har använts för att erhålla bred information om de reologiska egenskaperna, inklusive viskositeten under varierande skjuvhastighets-intervall. Körbarhet, fett- och fuktbarriärprestanda, vattenretention och högskjuvningstestning för reologi har studeras för att bestämma flödesbeteende. Resultaten visar att viskositeten var högre på laboratorieskalan än på pilotskalan på grund av den dåliga nanolerdispergeringen på pilotskalan. Som förväntat för denna typ av barriärbestrykning visade KIT-testet att fettbarriären var mycket effektiv. Mätningar av vattenretention var bra för de låga värdena på nanolerainnehåll. Slutligen gav skjuvprovningen mycket likartade resultat mellan alla olika barriärbestryknings-formuleringar. Det fastställdes att ett lågt nanolerainnehåll gav en bra barriärbestryknings-prestanda. En högre halt av nanolera resulterade dock i minskad vattenbeständighet jämfört med en beläggning med låg nanolerhalt.