O tratamento de água residuária rica em sulfato por via de processo anaeróbio é um grande desafio, devido ao potencial de redução do sulfato pela via biológica a sulfeto, o que pode inviabilizar o aproveitamento do biogás e afetar o tratamento por seus efeitos tóxicos e inibitórios. Neste contexto, o presente trabalho investigou a potencial aplicação da separação de fase para minimizar tais problemas de operação. A operação de reator de primeira fase visa estabelecer um ambiente sulfetogênico sob condições acidogênicas. Os efeitos da pré-acidificação da água residuária sobre a produção de metano foram avaliados por meio do monitoramento de dois reatores metanogênicos, um sistema de fase única alimentado com água residuária rica em sulfato e um sistema de duas fases alimentado com água residuária acidificada. Em todos os casos foram utilizados reatores anaeróbios de leito estruturado, aplicada condições termofílica de temperatura (55°C). Para o sistema de primeira fase, dois reatores com diferentes materiais foram comparados: reator com cilindros de polietileno de baixa densidade (RAS-PEBD) com cinco etapas de operação (13 subetapas) e outro reator com cubos de espuma de poliuretano (RAS-PU) com quatro etapas de operação. As principais estratégias operacionais para otimização da redução do sulfato a variação do tempo de detenção hidráulica (TDH: 6-15 h RAS-PEBD; 12 - 16 h RAS-PU ), carga orgânica volumétrica (COVafl: 10 - 20,0 kg-DQO m-3 d-1 - RAS-PEBD; 15 - 20 kg-DQO m-3 d-1 - RAS-PU), carga de sulfato volumétrica (CSV: 3,2-16,0 kg-SO4 m-3 d-1 - RAS-PEBD; 4 - 8 kg-SO4 m-3 d-1 - RAS-PU) e velocidade ascensional (Va: 0,06 3,35 m h-1 - RAS-PEBD; 3,42 7,9 m h-1 - RAS-PU). Após longo período de adaptação da biomassa no RAS-PEBD, verificou-se o aumento da eficiência e stripping do sulfeto. A recirculação controlada do efluente foi um fator chave para melhoria do sistema. O mesmo não foi obtido em RAS-PU, apresentando perda de desempenho devido a problemas de colmatação e subsequente aparecimento de vias preferenciais. O efluente do reator de primeira fase com carga de sulfato residual menor que 7% (COVefl de 15,12 kg-DQO m-3d-1 e sulfeto de 256 mg L-1, subetapa X) foi aplicado em reator metanogênico de segunda fase (RMI). Considerando a comparação entre os sistemas metanogênicos, fixou-se uma carga orgânica (CO) inicial de 2,5 g-DQO d-1, sendo aumentada até 5 g d-1. A partida do reator de fase única apresentou limitações, requerendo aplicação de baixos valores de CO, o que demandou 140 dias até a estabilização para a carga de 5 g-DQO d-1. Por sua vez, o sistema com duas fases necessitou de 102 dias e apresentou maior geração de metano (RMI 1,95 L-CH4 d-1 e RMII 1,76 L-CH4 d-1). A separação de fases permitiu a geração de efluente acidificado com menores concentrações de sulfato residual, resultando em maior produção de metano e reduzida concentração de sulfeto no biogás no sistema de duas fases, quando comparado ao sistema de fase única. / The treatment of sulfate-rich wastewater via anaerobic processes is challenging, due to the potential biological sulfate reduction to sulfide, which limits biogas use and affect treatment performance due to toxic and inhibitory effects. In this context, this study investigated the potential application of phase separation to minimize such operating problems. The operation of the first-stage reactor aimed to establish a sulfidogenic environment under acidogenic conditions. The effects of pre-acidifying the wastewater over methane production was further assessed through monitoring two methanogenic reactors, i.e., one single-phased system fed with raw sulfate-rich wastewater and one two-phased system fed with acidified wastewater. In all cases anaerobic structured-bed reactors were used as well as thermophilic temperature conditions were applied (55ºC). For the first-phase system, two reactors with different materials were compared: reactor with low density polyethylene cylinders (RAS-PEBD) with five operating steps (13 sub-stages) and another reactor with polyurethane foam cubes (RAS-PU) with four operating steps. The main operational strategies for the optimization of sulfate reduction were the variation of hydraulic retention time (HRT: 6-15 h RAS-PEBD; 12-16 h RAS-PU:), organic loading rate (OLRinfl: 10-20 kg-COD m-3 d-1 - RAS-PEBD; 15-20 kg-COD m-3 d-1 - RAS-PU), sulfate loading rate (SLR: 3.2-16.0 kg-SO4 m-3 d-1 - RAS-PEBD; 4 - 8 kg-SO4 m-3 d-1 RAS-PU), and upflow velocity (Vu: 0.06 - 3.35 m h-1 - RAS-PEBD ; 3.42-7.9 m h-1-RAS-PU). After a long period of biomass adaptation in RAS-PEBD, increasing efficiency patterns and sulfide stripping were observed. Controlling effluent recirculation was the key-factor to improve system performance. The same pattern was not obtained in RAS-PU, which presented performance losses due to clogging-related problems and the subsequent establishment of preferential pathways. The effluent from the first-phase reactor with residual sulfate load rate of less than 7% (OLRefl of 15.12 kg m-3 d-1 and sulfide of 256 mg L-1, sub-step X) was applied to a second-phase methanogenic reactor. Considering the comparison between the methanogenic systems, an initial organic load (OL) of 2.5 g-COD d-1 was set, which was further increased up to 5 g d-1. The start-up of the single-phase reactor presented limitations, requiring the application of lower OL values, in order to require 140 days up to the stabilization of the load of 5 g-COD d-1. In turn, the two-phase system required 102 days and presented higher methane generation rates metano (RMI 1,95 L-CH4 d-1 and RMII 1,76 L-CH4 d-1). Phase separation enabled the generation of an acidified effluent with lower residual sulfate concentrations, leading to higher methane production and low sulfide concentration in the biogas in the two-phase system, when compared to the single phase system.

Este trabalho contempla um estudo sistemático das propriedades elétricas de óxidos cerâmicos a base de manganês. Ênfase foi dada a sistemas onde uma correlação forte entre os graus de liberdade de carga, spin e rede com ordenamento orbital resultam em um estado fundamental heterogêneo, devido a uma separação de fases. Com esse objetivo, foram preparadas amostras policristalinas e monocristalinas de Nd0.5Ca0.5Mn1-xCrxO3, 0.0 x 0.07. A caracterização destas amostras, via medidas de transporte elétrico (T) e de susceptibilidade magnética (T), revelou a ocorrência de uma temperatura de ordenamento de carga CO em TCO 250 K e que uma substituição pequena de Mn por Cr resulta na supressão desse estado CO, induzindo uma transição de fase do tipo metal-isolante (MI) no sistema. Concomitantemente a esta transição MI observa-se uma transição de fase do estado paramagnético PA isolante para um estado ferromagnético FM metálico em TMI ~ TC ~ 140 K. A análise combinada dos resultados experimentais de resistividade elétrica (T,H), magnetização (T) e de espectroscopia de impedância Z(,T) revelaram uma coexistência e competição entre fases na determinação do estado fundamental dessas manganitas. Tal competição foi observada ocorrer em uma larga faixa de temperatura, ou seja, abaixo da temperatura TCO 250 K até a mais baixa temperatura estudada de 1.4 K. Os dados também permitiram concluir que a natureza do estado fundamental desses materiais compreende de uma mistura de fases isolantes entre as temperaturas TCO 250 K e TMI ~ TC ~ 140 K. Por outro lado, e abaixo de TMI, o estado fundamental do sistema pode ser visualizado como sendo composto de uma fina mistura de duas fases: uma com ordenamento de carga e orbital (CO/OO) e de caráter isolante e uma outra ordenada ferromagneticamente FM e com características metálicas. A natureza deste estado fundamental heterogêneo foi confirmada através de medidas de relaxação da resistência elétrica (T,t) obtidas nas duas regiões de temperatura acima citadas. Os dados de (T,t) ainda permitiram concluir que o estado fundamental desses materiais além de heterogêneo é dinâmico, como esperado em um cenário de separação de fases. Uma outra característica desse estado heterogêneo, notadamente abaixo de TMI, é que o mesmo responde de forma não convencional a estímulos diversos, incluindo grandes excitações de corrente elétrica aplicada I. Nesse contexto, a natureza heterogênea do estado CO para T < TCO, bem como da coexistência de fases CO e FM em T < TMI foi provada via um estudo sistemático das propriedades de transporte e magnetização usando diferentes intensidades de corrente elétrica aplicada em medidas de (T,I), M(T,I) e através de curvas características V-I. A observação de fenômenos não lineares, principalmente em curvas características V-I, indicou que os mesmos são precursores de transições de fase abruptas, quando altas densidades de corrente são aplicadas nos materiais. Os dados também permitiram concluir que a corrente elétrica não é distribuída homogeneamente neste estado fundamental heterogêneo. Isto implica em uma localização de corrente e conseqüente efeito Joule dentro do material. A dissipação devido ao efeito Joule é responsável por um auto-aquecimento do material e pode ser suficiente para induzir transições de fase devido ao aumento de temperatura da amostra. A aplicação de um modelo simples de dissipação de calor aplicado aos dados experimentais indicam que o fenômeno de localização de corrente e efeito Joule são fundamentais para o entendimento de transições de fase induzidas por corrente elétrica nessas manganitas. / A systematic study of the electrical properties in doped manganese oxides is presented. Special attention was given to compositions where the strong correlation between charge, spin, and lattice degrees of freedom with orbital ordering resulting in a heterogeneous ground state leads to phase separation. To do this work, polycrystalline and monocrystalline Nd0,5Ca0,5Mn1-xCrxO3, 0,0 x 0,07 samples were prepared. The results obtained through electrical transport (T) and, magnetic susceptibility (T) have revealed the occurrence of charge ordering at TCO 250 K. A small partial substitution of Mn by Cr results in a suppression of the long range charge ordering state and induces both a magnetic from paramagnetic PA to ferromagnetic FM and a electronic from insulating to metallic phase transition at TMI ~ TC ~ 140 K. A combined analysis of the experimental results performed through (T,H), (T), and impedance spectroscopy Z(,T) revealed the coexistence of competing phases in the ground state of these manganites. Such a competition has been found in a large temperature range, from TCO 250 down to 1,4 K. In addition, it is suggested that the ground state comprises a delicate mixture of insulating phases between TCO 250 K e TMI ~ TC ~ 140 K. On the other hand, below TMI, the ground state can be visualized as comprised of two phases: (1) insulating charge orbital ordering (CO/OO) and (2) ferromagnetic metallic phases. The nature of this heterogeneous ground state was confirmed through relaxation measurements (T,t) performed in both temperature intervals cited above. The data indicated that besides to be heterogeneous this ground state is dynamical, as expected in the phase separation scenario. Moreover, this ground state responds in an unconventional fashion when the system is stimulated by electrical current, notably below TMI. Within this context, the heterogeneous nature of the CO state for T < TCO, and the coexistence of CO and FM phases for T < TMI, were studied through magnetic and electrical measurements using electrical current of different magnitude (T,I), M(T,I) and characteristic V-I curves. The non-linear phenomena are precursors of the very sharp transition when high electrical current density is applied. The data also allows to conclude that the electrical current is not homogeneously distributed throughout the sample in this ground state. Differently, the electrical current is localized in thin channels bringing about a large self-heating Joule effect. We argue that the dissipation due to Joule effect is responsible for the self-heating which in turn is large enough to induce phase transition due to the temperature raise. The application of a simple heat dissipation model to the experimental data reveals that both the electrical current localization phenomenon and the Joule effect are very important to the understanding of the current-induced phase transition in these manganites.

Apresentamos um estudo de solidificaçaõ e lixiviacão de matrizes de vidros porosos de alto teor de sílica armazenando 20% em peso de solução aquosa simuladora de rejeitos nucleares de alto nível de radioatividade do tipo Savanah River Labratory. A matriz porosa foi preparada após o tratamento térmico de um vidro de 65% SiO2-27%B2O3-8%Na2O, que sofreu separação de fase à 560°C por 20 horas e lixiviado em HCl - 3N à 90°C. O tamanho dos poros (tipicamente de 100 à 250Å de diâmetro) , foi determinado utilizando o método BET. Após sinterização à 1300°C em ar, as amostras foram caracterizadas física e quimicamente através de testes de lixiviação padronizados MCC1, Soxhlet (MCC5) e Estagnante durante cerca de 28 dias. Determinamos a perda de peso total, o pH, as taxas de lixiviação diferencial e as concentrações acumuladas para os seguintes elementos: Si, Na, B, Ca, Mn, Al, Fe e Ni com técnicas de ICP e espectroscopia de chama para o caso do Na. Os resultados são comparados com os obtidos com vidros borosilicatos de referência, fabricados por fusão convencional (SRL 131, PNL 76-68, MCC 76-68, SRL TDS 131, AVM-Ml à M7), vidros fabricados pela técnica sol-gel (TDS 211), vidros de alto teor de sílica (CU PGM), synroc-D, cerâmicas manufaturadas, concreto FUETAP e matrizes metálicas. Os valores obtidos são similares àqueles obtidos com os melhores vidros borosilicato presentemente usados. / We present a study of the sinterization and of the leaching behavior of a high silica porous glass matrix containing 20 weight % of simulated solution of high level liquid nuclear waste of the type Savanah River Laboratory. The porous matrix has been prepared after heat treatment of a 65% SiO2-27%B2O3-8%Na2O glass, phase separate at 560°C for 20 hours and leached in 3N HCl at 90°C. The pore size (typically 100-250Å in diameter) has been determined by the BET method. After sinterization in air at 1300°C, the samples have been physically and chemically characterized during 28 days using the MCC1, Estagnant and Soxhlet (MCC5) standard tests. We have determined thetotal weight loss, the pH, the diferential leaching rate and the cumulative concentrations for the following elements: Si, Na, B, Ca, Mn, Al, Fe and Ni by ICP technique, for Na flames spectroscopy. The results are compared with these obtained with other reference borosilicate glasses made by conventional fusion techniques (SRL 131, PNL 76-68, MCC 76-68, SRL TDS 131, AVM-M1 to M7), glasses made by sol-gel technique (TDS-211), porous glasses matrix (CU PGM), synroc-D, tailored ceramics, FUETAP concrete and metallic matrix. The values obtained are similar to those found for the best borosilicate glass presently used.

Esta pesquisa estuda a evolução temporal dos parâmetros de propagação acústica de uma mistura de líquidos imiscíveis considerada como emulsão instável durante o processo de separação de suas fases. O principal objetivo neste trabalho é estudar o comportamento não linear de materiais que variam sua não homogeneidade quando são submetidos a um campo acústico. O estudo é baseado na teoria de análise espectral de ecos de ultra-som para entender o processo físico de interação da onda - emulsão. A emulsão bifásica que tem sido analisada neste estudo é composta principlamente por um óleo mineral A e um óleo vegetal B. A metodologia é baseada na análise tempo freqüência de ecos e sinais de backscattering de ultra-som com uma freqüência central de 5 MHz e uma largura de banda de 8 MHz @ - 3dB. A velocidade média de propagação acústica para a mistura liquida foi estimada em 1354 m/s. O coeficiente de atenuação foi calculado para cada fase separada e se obtiveram os seguintes resultados: 0.82 dB/cm - MHz para o óleo A e 0.59 dB/cm - MHz para o óleo B. O parâmetro B/A avaliado para cada fase separada foi de: 8.43 para óleo A e 10.74 para o óleo B. A variação dos parâmetros acústicos descreveram a evolução da emulsão no tempo mediante o decremento das curvas de atenuação, B/A e IBC. A velocidade de propagação não forneceu informações relevantes a respeito do processo de separação das fases, devido a sua variação mínima. A percentagem média de variação dos parâmetros acústicos durante o processo dinâmico de separação das fases da emulsão foi de 1.39% para a velocidade de propagação, 46.9 para B e 51% para B/A. Espera-se que o estudo possa ser extrapolado para o melhor entendimento da interação de ondas de ultra-som em meios não homogêneos e variantes no tempo. / This research studies the time evolution of acoustic propagation parameters of a mixture of inmiscible liquids considerated as unstable emulsion during the separation process into its original phases. The main aspect of this work is to deal with the behavior of nonlinear, nonhomogeneous and time-varying media when they are submitted in an acoustic field. The study is based on spectral analysis theory of ultrasound-backscattered echoes for understanding of physical process of the wave-emulsion interaction. The biphasic emulsion, which has been analyzed during this study, is composed by a mineral oil (phase A) and vegetable oil (phase B). The methodology was based on time-frequency analysis of backscattered broadband ultrasound echo at center frequency of 5 MHz and bandwidth of 8 MHz @ -3dB using an ultrasound system in pulse-echo mode. The mean acoustic propagation velocity for the mixture liquid was estimated in 1354 m/s. The attenuation coefficients were calculated for each separated phase resulting in 0.82 dB/cm-MHz to phase A and 0.59 dB/cm-MHz to phase B. The B/A parameter have been evaluated resulting in 8.43 (phase A) and 10.74 (phase B). The acoustic parameters variation allowed identified different emulsification state inside emulsion. The time evolution for the emulsion was described throught the decrease of attenuation, B/A and IBC. The acoustic propagation velocity don\'t provide relevant information about the phases separation process, because it showed a minimal variation. The mean percentage variation for the time evolution of the acoustic parameters was 1.39% to the acoustic propagation velocity, 46.9% to B and 51% to B/A. We hope that observations can be extrapolated aiming a better understanding of ultrasonic waves interaction in non-homogeneous time-varying medium.

Apresentamos um estudo de solidificaçaõ e lixiviacão de matrizes de vidros porosos de alto teor de sílica armazenando 20% em peso de solução aquosa simuladora de rejeitos nucleares de alto nível de radioatividade do tipo Savanah River Labratory. A matriz porosa foi preparada após o tratamento térmico de um vidro de 65% SiO2-27%B2O3-8%Na2O, que sofreu separação de fase à 560°C por 20 horas e lixiviado em HCl - 3N à 90°C. O tamanho dos poros (tipicamente de 100 à 250Å de diâmetro) , foi determinado utilizando o método BET. Após sinterização à 1300°C em ar, as amostras foram caracterizadas física e quimicamente através de testes de lixiviação padronizados MCC1, Soxhlet (MCC5) e Estagnante durante cerca de 28 dias. Determinamos a perda de peso total, o pH, as taxas de lixiviação diferencial e as concentrações acumuladas para os seguintes elementos: Si, Na, B, Ca, Mn, Al, Fe e Ni com técnicas de ICP e espectroscopia de chama para o caso do Na. Os resultados são comparados com os obtidos com vidros borosilicatos de referência, fabricados por fusão convencional (SRL 131, PNL 76-68, MCC 76-68, SRL TDS 131, AVM-Ml à M7), vidros fabricados pela técnica sol-gel (TDS 211), vidros de alto teor de sílica (CU PGM), synroc-D, cerâmicas manufaturadas, concreto FUETAP e matrizes metálicas. Os valores obtidos são similares àqueles obtidos com os melhores vidros borosilicato presentemente usados. / We present a study of the sinterization and of the leaching behavior of a high silica porous glass matrix containing 20 weight % of simulated solution of high level liquid nuclear waste of the type Savanah River Laboratory. The porous matrix has been prepared after heat treatment of a 65% SiO2-27%B2O3-8%Na2O glass, phase separate at 560°C for 20 hours and leached in 3N HCl at 90°C. The pore size (typically 100-250Å in diameter) has been determined by the BET method. After sinterization in air at 1300°C, the samples have been physically and chemically characterized during 28 days using the MCC1, Estagnant and Soxhlet (MCC5) standard tests. We have determined thetotal weight loss, the pH, the diferential leaching rate and the cumulative concentrations for the following elements: Si, Na, B, Ca, Mn, Al, Fe and Ni by ICP technique, for Na flames spectroscopy. The results are compared with these obtained with other reference borosilicate glasses made by conventional fusion techniques (SRL 131, PNL 76-68, MCC 76-68, SRL TDS 131, AVM-M1 to M7), glasses made by sol-gel technique (TDS-211), porous glasses matrix (CU PGM), synroc-D, tailored ceramics, FUETAP concrete and metallic matrix. The values obtained are similar to those found for the best borosilicate glass presently used.

Esta pesquisa estuda a evolução temporal dos parâmetros de propagação acústica de uma mistura de líquidos imiscíveis considerada como emulsão instável durante o processo de separação de suas fases. O principal objetivo neste trabalho é estudar o comportamento não linear de materiais que variam sua não homogeneidade quando são submetidos a um campo acústico. O estudo é baseado na teoria de análise espectral de ecos de ultra-som para entender o processo físico de interação da onda - emulsão. A emulsão bifásica que tem sido analisada neste estudo é composta principlamente por um óleo mineral A e um óleo vegetal B. A metodologia é baseada na análise tempo freqüência de ecos e sinais de backscattering de ultra-som com uma freqüência central de 5 MHz e uma largura de banda de 8 MHz @ - 3dB. A velocidade média de propagação acústica para a mistura liquida foi estimada em 1354 m/s. O coeficiente de atenuação foi calculado para cada fase separada e se obtiveram os seguintes resultados: 0.82 dB/cm - MHz para o óleo A e 0.59 dB/cm - MHz para o óleo B. O parâmetro B/A avaliado para cada fase separada foi de: 8.43 para óleo A e 10.74 para o óleo B. A variação dos parâmetros acústicos descreveram a evolução da emulsão no tempo mediante o decremento das curvas de atenuação, B/A e IBC. A velocidade de propagação não forneceu informações relevantes a respeito do processo de separação das fases, devido a sua variação mínima. A percentagem média de variação dos parâmetros acústicos durante o processo dinâmico de separação das fases da emulsão foi de 1.39% para a velocidade de propagação, 46.9 para B e 51% para B/A. Espera-se que o estudo possa ser extrapolado para o melhor entendimento da interação de ondas de ultra-som em meios não homogêneos e variantes no tempo. / This research studies the time evolution of acoustic propagation parameters of a mixture of inmiscible liquids considerated as unstable emulsion during the separation process into its original phases. The main aspect of this work is to deal with the behavior of nonlinear, nonhomogeneous and time-varying media when they are submitted in an acoustic field. The study is based on spectral analysis theory of ultrasound-backscattered echoes for understanding of physical process of the wave-emulsion interaction. The biphasic emulsion, which has been analyzed during this study, is composed by a mineral oil (phase A) and vegetable oil (phase B). The methodology was based on time-frequency analysis of backscattered broadband ultrasound echo at center frequency of 5 MHz and bandwidth of 8 MHz @ -3dB using an ultrasound system in pulse-echo mode. The mean acoustic propagation velocity for the mixture liquid was estimated in 1354 m/s. The attenuation coefficients were calculated for each separated phase resulting in 0.82 dB/cm-MHz to phase A and 0.59 dB/cm-MHz to phase B. The B/A parameter have been evaluated resulting in 8.43 (phase A) and 10.74 (phase B). The acoustic parameters variation allowed identified different emulsification state inside emulsion. The time evolution for the emulsion was described throught the decrease of attenuation, B/A and IBC. The acoustic propagation velocity don\'t provide relevant information about the phases separation process, because it showed a minimal variation. The mean percentage variation for the time evolution of the acoustic parameters was 1.39% to the acoustic propagation velocity, 46.9% to B and 51% to B/A. We hope that observations can be extrapolated aiming a better understanding of ultrasonic waves interaction in non-homogeneous time-varying medium.

Orientador: Maria Isabel Felisberti / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-12T12:37:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lima_JulianaAristeiade_D.pdf: 4425741 bytes, checksum: e0c47d6335f66cc31a0fe6e5ac1c0457 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Neste trabalho foram estudadas blendas de poli(etileno-co-álcool vinílico) (EVOH), um copolímero semicristalino que combina segmentos hidrofílicos e hidrofóbicos e poli(metacrilato de metila) (PMMA), um polímero amorfo e hidrofílico. As blendas de EVOH, com teor de etileno variando de 27 a 44 mol %, e PMMA foram preparadas por casting a partir de soluções em DMF, e por mistura mecânica em um mini-misturador, objetivando: i) avaliar o comportamento de fases e a morfologia das blendas, EVOH/PMMA, em função da composição das misturas, do teor de etileno nos copolímeros de EVOH e do método de preparação; ii) obter os diagramas de fases das soluções binárias, EVOH/DMF, e ternárias, EVOH/PMMA/DMF, através do processo de separação de fases induzido termicamente (TIPS). O comportamento de fases das blendas, EVOH/PMMA, foi estudado através de Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) e Análise Dinâmico-Mecânica (DMA). A morfologia das blendas foi investigada por Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM). As blendas independentemente do modo de preparação e da composição são imiscíveis. Como conseqüência desta imiscibilidade, as temperaturas de fusão (Tf) e cristalização (Tc) não são afetadas pela presença de PMMA. A morfologia das blendas varia com a composição e método de preparação. As blendas obtidas pelo método mecânico são compactas, apresentando morfologia de fase dispersa em uma matriz, com inversão de fases em aproximadamente 50 % em massa de cada componente. As soluções binárias, EVOH/DMF, e ternárias, EVOH/PMMA/DMF, foram submetidas a ensaios para a determinação das temperaturas de turvamento (Tturv) por microscopia ótica, e de cristalização dinâmica (Tcd), por DSC. As soluções binárias apresentaram comportamento UCST (upper critical solution temperature), sendo que a separação de fases L-L ocorre a temperaturas superiores à separação de fases S-L. O modelo de interações binárias prevê que a curva de separação L-L para as soluções EVOH- 38/DMF esteja situada a temperaturas superiores em relação às soluções EVOH-32/DMF e indica que a separação de fases resulta da baixa afinidade entre segmentos hidrofóbicos do EVOH com os segmentos do polímero contendo hidroxila e com o solvente, DMF, concordando com os dados obtidos experimentalmente. Filmes de EVOH obtidos pela evaporação do solvente mostraram-se densos, sem a presença de poros. As soluções ternárias também apresentaram comportamento UCST, resultando em duas fases macroscópicas, F1 e F2, à temperatura ambiente. A composição destas fases foi determinada por Análise Termogravimétrica (TGA), e os resultados mostraram que uma das fases macroscópicas é rica em EVOH e outra fase é rica em PMMA. As blendas resultantes da secagem dos sistemas ternários apresentaram duas camadas: uma densa e rica em PMMA e outra porosa e rica em EVOH. A presença de PMMA foi decisiva à formação de estruturas porosas / Abstract: In this work blends of poly (ethylene-co-vinyl alcohol) (EVOH), a semicrystalline copolymer which combines hydrophobic and hydrophilic segments and poly (methyl methacrylate) (PMMA), an amorphous and hydrophilic polymer were studied. EVOH blends, with ethylene content ranging from 27 to 44 mol% and PMMA were prepared by casting from solutions in DMF, and by mixing into a mini-mixer, with the objective of: i) evaluate the phase behavior and the morphology of the blends, EVOH/PMMA, depending on the composition of mixtures, the ethylene contents in the copolymers of EVOH and the conditions of mixing; ii) obtain the phase diagrams of the binary and ternary solutions, EVOH/DMF and EVOH/PMMA/DMF, respectively, by the process of thermally induced phase separation (TIPS). The phase behavior of the blends, EVOH / PMMA, was investigated by Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Dynamic Mechanical Analysis (DMA). The morphology of the blends was investigated by Scanning Electron Microscopy (SEM). The blends independently of the method of preparation and of the composition are immiscible. As a result of immiscibility, the melting temperature (Tm) and the crystallization temperature (Tc) are not affected by the presence of PMMA. The morphology of the blends varies with the composition and with the method of preparation. The blends produced by the mechanical method is compact, showing morphology of dispersed phase in a matrix, with inversion of phases in about 50% by weight of each component. The binary solutions, EVOH-38/DMF and EVOH-32/DMF, were submitted to experiments to determine the cloud temperature (Tcloud) by optical microscopy, and the dynamic crystallization (Tcd), by DSC. The binary solutions show UCST behavior (upper critical solution temperature), and the L-L phase separation occurs at higher temperatures than the S-L phase separation. The binary interaction model provides the L-L line to the EVOH-38/DMF, solutions which was situated at higher temperatures than the EVOH-32/DMF solutions and indicates that the phase separation results from the low affinity between the hydrophobic segments of EVOH with the segments of the polymer containing hydroxyl and the solvent, DMF, which agrees with the data obtained experimentally. Films of EVOH obtained by the solvent evaporating seemed to be dense, without the presence of pores. The ternary solutions also had UCST behavior, resulting in two macroscopic phases, F1 and F2, at room temperature. The phase compositions were determined by Thermogravimetric Analysis (TGA), and the results showed that one of the macroscopic phases is rich in EVOH and the other phase is rich in PMMA. The blends resulting from drying of ternary systems had two layers: a dense and rich in PMMA and another porous and rich in EVOH. The presence of PMMA was crucial to the formation of porous structures / Doutorado / Físico-Química / Doutor em Ciências

Orientador: Maria Isabel Felisberti / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-26T22:37:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Marques_RosalvadosSantos_D.pdf: 38406911 bytes, checksum: 574d251b2b2578b4a3d9fd0b4e82fcf7 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Neste trabalho, estudou-se o comportamento de fases de soluções binárias e ternárias de poliolefinas funcionalizadas com hidroxilas (EVOH) e ácido carboxílico (PEAA) nos solventes dimetilformamida e álcool benzílico. Utilizou-se EVOH contendo 27 e 44 mol % e PEAA contendo 80 mol % de etileno. As soluções exibem o comportamento de fases do tipo UCST, apresentando separações de fases líquido-líquido (L-L) e sólido-líquido (S-L). As temperaturas de separação de fases L-L e S-L, TL-L e TS-L, respectivamente, foram determinadas para soluções com diferentes composições por inspeção visual e por DSC, respectivamente. Enquanto TS-L para as soluções binárias de EVOH varia fortemente da com a composição das soluções binárias, TS-L para as soluções binárias de PEAA é praticamente constante. Estes resultados foram interpretados sob a ótica de um modelo em que a cristalização do PEAA, que envolve os segmentos de etileno do copolímero, ocorre quase na ausência de solvente. Já a cristalização do EVOH, que envolve os segmentos hidroxilados, ocorre em meio ao solvente, em uma condição em que o potencial químico do polímero varia com a composição da solução. Este modelo pode ser comprovado por estudos de fluorescência empregando-se o pireno e o acetato de uranila como sondas hidrofóbica e hidrofílica, respectivamente. Estes estudos de fluorescência permitiram também acessar transições não detectáveis por DSC. As soluções ternárias homogêneas apresentam mais de uma separação de fases L-L quando submetidas a resfriamento. O diagrama de fases ternário foi construído determinando-se as composições das soluções em equilíbrio, decorrentes da primeira separação de fases L-L, por termogravimetria de alta resolução. Os diagramas de fases das soluções ternárias resultantes das combinações possíveis entre os diferentes polímeros e solventes apresentam regiões de miscibilidade limitadas localizadas em regiões próximas aos vértices, sendo as composições das fases em equilíbrio características de cada combinação nas soluções ternárias. Os materiais resultantes da evaporação do solvente de soluções submetidas ao processo TIPS (Temperature Induced Phase Separation) são compactos ou porosos, dependendo da afinidade polímero-solvente. Entretanto, as morfologias dos materiais resultantes de soluções ternárias submetidas ao processo TIPS são únicas e características do par polímero-polímero, demonstrando que a estratégia de combinação de polímeros para controlar a morfologia é viável / Abstract: The phase behavior of binary and ternary solutions of functionalized poliolefins with hydroxyls (EVOH) and carboxylic acid (PEAA) were studied using dimethylformamide and benzyl alcohol as solvents. PEAA containing 80 mol % and EVOH containing 27 and 44 mol % of ethylene were used. The binary and ternary solutions present a typical UCST behavior associated to liquid-liquid (L-L) and solid-liquid (S-L) phase separation. The temperatures related to L-L and S-L phase separation, TL-L e TS-L, respectively, were determined visually and using DSC, respectively. While TS-L depends on the EVOH solution composition, it is practically constant for PEAA solutions. These results were explained using a model in which the crystallization of PEAA from the solution occurs in absence of solvent, once it involves the polyethylene segments. On the contrary, the crystallization of EVOH from the solution, that involves the hydroxylated segments, occurs in presence of the solvent. This condition leads to the decrease of the chemical potential of EVOH in the solution. The models could be proved by fluorescence experiments using pyrene and uranyl acetate as hydrophobic and hydrophilic probes, respectively. Moreover, the fluorescence experiments allow accessing other transitions not detectable by DSC for ternary solutions. The homogeneous ternary solutions present more than one L-L phase separation by cooling. The ternary diagram was determined by the first L-L phase separation using the composition data accessed by high resolution thermogravimetry. The ternary solutions of all possible combination of polymers and solvents show a restricted miscibility window in the regions near the vertices. The composition of the phases in equilibrium is characteristic of each ternary solution, as well as, the morphology of the materials resulting from the evaporation of the solvent after the solution being subjected to TIPS (Temperature Induced Phase Separation) process. This process applied to binary and ternary solutions resulted in dense or porous materials depending on the polymer-solvent affinity. However, the morphology resulting from ternary solutions subjected to TIPS process and solvent evaporation is unique, showing that the strategy of combining different polymers is a viable route to control the morphology of polymers / Doutorado / Físico-Química / Doutora em Ciências

A digestão anaeróbia tem se apresentado como um processo de grande interesse sob a ótica da potencial produção de energia renovável (H2 e CH4), considerando-se a ampla variedade de compostos orgânicos que podem ser utilizados. Neste estudo desejou-se avançar na compreensão do sistema de reatores anaeróbios de duas fases (acidogênico seguido de metanogênico) operados em condições termofílicas (55&#176;C), alimentados com melaço da cana-de-açúcar, subproduto da indústria sucroalcooleira. Os experimentos foram conduzidos em reatores anaeróbios de leito fixo estruturado com fluxo ascendente e o melaço foi diluído com água de abastecimento, para adequação da concentração aos processos de tratamento de águas residuárias. Na 1ª Etapa dois reatores acidogênicos foram operados em paralelo para avaliar diferentes formas de inoculação e meios suportes, a fim de manter a produção continua e estável de hidrogênio. Para isso foram aplicadas diferentes cargas orgânicas (2,5, 5 e 10 gDQO.L-1) que resultam em COV de 30, 60 e 120 g.DQO.Lreator1.dia-1, com TDH fixo de 2 horas. A expressão do gene hidrogenase foi detectado em ambos os reatores, mas em maior proporção no reator inoculado com lodo de reator UASB e usando como material suporte a espuma de poliuretano. Sequencialmente a este reator, foi acoplado um reator metanogênico, alimentado com efluente do reator acidogênico, estabilizado nas condições apresentadas, e operado com COV crescentes de 1, 2, 5, 7, 14, 17 e 26,5 gDQO.Lreator-1.dia-1 e consequente diminuição do TDH de 240, 96, 48, 32, 24, 16 e 12 horas. O reator acidogênico na 2ª etapa foi operado por 417 dias consecutivos e COV de 120 g.DQO.Lreator1.dia-1, produzindo hidrogênio continuamente, alcançado valores de produção bruta de H2 de 7,60 LH2.dia-1. O reator metanogênico foi operado por 251 dias consecutivos, produzindo metano e alcançado valores de produção bruta de CH4 de 5,90 LCH4.dia-1. A eficiência de remoção de DQO do sistema de reatores foi de aproximadamente 90&#37;, com contribuição aproximadamente de 10&#37; para o reator acidogênico e contribuição aproximadamente de 80&#37; para o reator metanogênico. O reator acidogênico alcançou rendimento de produção de hidrogênio por kg de melaço aplicado de 392 LH2.kgmelaço-1 e o reator metanogênico de 387 LCH4.kgmelaço-1. Para finalidade de comparações e aplicabilidade, o ganho energético global do sistema de reatores de duas fases foi de aproximadamente 5,7 kWh.kgmelaço-1 (1,4 kWh.kgmelaço-1 para o reator acidogênico e 4,3 kWh.kgmelaço-1 para o reator metanogênico). A produção continua de H2 obtida neste estudo está relacionada à associação das vias dos ácidos produtores de hidrogênio já consolidados pela literatura pertinente (acético e butírico) e pela produção de hidrogênio pela rota do ácido lático, devido a associação entre as comunidades de microrganismos estabelecidas no reator. O sequenciamento massivo MiSeq mostrou a seleção de diversos gêneros de microrganismos com redundância funcional e pertencentes principalmente aos Filos Firmicutes, Proteobacteria e Thermotogae, tais como Clostridium sensu stricto, Thermohydrogenium, Thermoanaerobacterium e Cellulosibacter (Firmicutes); Pseudomonas, Enterobacter, Shewanella e Petrobacter (Proteobacteria) e Fervidobacterium (Thermotogae). Microrganismos produtores de ácido lático também foram selecionados tais como: Lactobacillus, Leuconostoc, Sporolactobacillus e Trichococcus. Dos pontos de vista científico e tecnológico este estudo deu mais um passo para a compreensão dos bioprocessos envolvidos nos sistemas anaeróbios em dois estágios produzindo H2 e CH4 continuamente por longo período de tempo. / Anaerobic digestion has shown as an interesting process for renewable energy production (H2 and CH4), for a wide variety of organic compounds (carbon source). This study aimed to advance the understanding of a two-stage process anaerobic system (acidogenic bioreactor followed by methanogenic bioreactor) under thermophilic condition (55&#176;C) fed with molasses, a sugarcane industry by-product. The experiments were conducted at up-flow structured bed reactors and sugarcane molasses was diluted with tap water, to adjust the concentration to the wastewater treatment. At first stage two acidogenic reactors were operated in parallel to evaluate different source of inocula and support bed, to obtain continuous and stable hydrogen production. It was applied 2.5, 5 and 10 gCOD.L-1 resulting in OLR of 30, 60 and 120 g.COD.Lreactor-1.day-1, with HRT fixed at 2 hours of hydrogenase gene was detected in both reactors but with higher number of copies of the gene in the reactor that showed higher hydrogen production: the reactor sed with sludge of UASB reactor and using polyurethane foam as support material. To this reactor was coupled a methanogenic reactor fed with effluent from acidogenic reactor and operated with increasing OLR (1, 2, 5, 7, 14, 17 e 26,5 gCOD.Lreactor-1.day-1) decreasing the HRT (240, 96, 48, 32, 24, 16 and 12 hours). The acidogenic reactor was operated during 471 days with OLR of 120 g.COD.Lreactor-1.day-1, with HRT fixed at 2 hours, with continuous hydrogen production with a gross production of 7.60 LH2.day-1. The methanogenic reactor was operated for 251 days, with continuous methane production of up to 5.90LCH4.day-1. The COD removal efficiency using the two-stage system was approximately 90&#37; , with 10&#37; contribution by the acidogenic reactor and 80&#37; contribution by the methanogenic reactor. The acidogenic reactor achieved hydrogen yield per kg of applied molasses equal to 392 LH2.kgmolases-1. The methanogenic reactor achieved methane yield per kg of applied molasses equal to 387 LCH4.kgmolasses-1. For comparison and applicability purposes, the overall energy yield using the two stage reactor system was approximately 5.7 kWh.kgmolasses-1 (Acidogenic reactor 1.4 kWh.kgmolasses-1 and Methanogenic reactor 4.3 kWh.kgmolasses-1). The continuous production of H2 obtained in this study is related to the association of the hydrogen producer acids pathway established by the relevant literature (acetic and butyric) and the hydrogen production by the lactic acid pathway due to the microorganisms association established in the reactor. Metagenomic analysis by MiSeq Plataform revealed that hydrogen production was due the selection of microorganisms with functional redundancy mainly of Phyla Firmicutes, Proteobacteria and Thermotogae, such as Clostridium sensu stricto, Thermohydrogenium, Thermoanaerobacterium, Cellulosibacter (Firmicutes); Pseudomonas, Enterobacter, Shewanella and Petrobacter (Proteobacteria) and Fervidobacterium (Thermotogae). Genera of acid latic producers, such as Lactobacillus, Leuconostoc, Sporolactobacillus and Trichococcus, were also selected. From the scientific and technological point of view this study has taken another step towards the understanding of bioprocesses involving two stage anaerobic systems for a long term continuous production of H2 and CH4.

A digestão anaeróbia tem se apresentado como um processo de grande interesse sob a ótica da potencial produção de energia renovável (H2 e CH4), considerando-se a ampla variedade de compostos orgânicos que podem ser utilizados. Neste estudo desejou-se avançar na compreensão do sistema de reatores anaeróbios de duas fases (acidogênico seguido de metanogênico) operados em condições termofílicas (55&#176;C), alimentados com melaço da cana-de-açúcar, subproduto da indústria sucroalcooleira. Os experimentos foram conduzidos em reatores anaeróbios de leito fixo estruturado com fluxo ascendente e o melaço foi diluído com água de abastecimento, para adequação da concentração aos processos de tratamento de águas residuárias. Na 1ª Etapa dois reatores acidogênicos foram operados em paralelo para avaliar diferentes formas de inoculação e meios suportes, a fim de manter a produção continua e estável de hidrogênio. Para isso foram aplicadas diferentes cargas orgânicas (2,5, 5 e 10 gDQO.L-1) que resultam em COV de 30, 60 e 120 g.DQO.Lreator1.dia-1, com TDH fixo de 2 horas. A expressão do gene hidrogenase foi detectado em ambos os reatores, mas em maior proporção no reator inoculado com lodo de reator UASB e usando como material suporte a espuma de poliuretano. Sequencialmente a este reator, foi acoplado um reator metanogênico, alimentado com efluente do reator acidogênico, estabilizado nas condições apresentadas, e operado com COV crescentes de 1, 2, 5, 7, 14, 17 e 26,5 gDQO.Lreator-1.dia-1 e consequente diminuição do TDH de 240, 96, 48, 32, 24, 16 e 12 horas. O reator acidogênico na 2ª etapa foi operado por 417 dias consecutivos e COV de 120 g.DQO.Lreator1.dia-1, produzindo hidrogênio continuamente, alcançado valores de produção bruta de H2 de 7,60 LH2.dia-1. O reator metanogênico foi operado por 251 dias consecutivos, produzindo metano e alcançado valores de produção bruta de CH4 de 5,90 LCH4.dia-1. A eficiência de remoção de DQO do sistema de reatores foi de aproximadamente 90&#37;, com contribuição aproximadamente de 10&#37; para o reator acidogênico e contribuição aproximadamente de 80&#37; para o reator metanogênico. O reator acidogênico alcançou rendimento de produção de hidrogênio por kg de melaço aplicado de 392 LH2.kgmelaço-1 e o reator metanogênico de 387 LCH4.kgmelaço-1. Para finalidade de comparações e aplicabilidade, o ganho energético global do sistema de reatores de duas fases foi de aproximadamente 5,7 kWh.kgmelaço-1 (1,4 kWh.kgmelaço-1 para o reator acidogênico e 4,3 kWh.kgmelaço-1 para o reator metanogênico). A produção continua de H2 obtida neste estudo está relacionada à associação das vias dos ácidos produtores de hidrogênio já consolidados pela literatura pertinente (acético e butírico) e pela produção de hidrogênio pela rota do ácido lático, devido a associação entre as comunidades de microrganismos estabelecidas no reator. O sequenciamento massivo MiSeq mostrou a seleção de diversos gêneros de microrganismos com redundância funcional e pertencentes principalmente aos Filos Firmicutes, Proteobacteria e Thermotogae, tais como Clostridium sensu stricto, Thermohydrogenium, Thermoanaerobacterium e Cellulosibacter (Firmicutes); Pseudomonas, Enterobacter, Shewanella e Petrobacter (Proteobacteria) e Fervidobacterium (Thermotogae). Microrganismos produtores de ácido lático também foram selecionados tais como: Lactobacillus, Leuconostoc, Sporolactobacillus e Trichococcus. Dos pontos de vista científico e tecnológico este estudo deu mais um passo para a compreensão dos bioprocessos envolvidos nos sistemas anaeróbios em dois estágios produzindo H2 e CH4 continuamente por longo período de tempo. / Anaerobic digestion has shown as an interesting process for renewable energy production (H2 and CH4), for a wide variety of organic compounds (carbon source). This study aimed to advance the understanding of a two-stage process anaerobic system (acidogenic bioreactor followed by methanogenic bioreactor) under thermophilic condition (55&#176;C) fed with molasses, a sugarcane industry by-product. The experiments were conducted at up-flow structured bed reactors and sugarcane molasses was diluted with tap water, to adjust the concentration to the wastewater treatment. At first stage two acidogenic reactors were operated in parallel to evaluate different source of inocula and support bed, to obtain continuous and stable hydrogen production. It was applied 2.5, 5 and 10 gCOD.L-1 resulting in OLR of 30, 60 and 120 g.COD.Lreactor-1.day-1, with HRT fixed at 2 hours of hydrogenase gene was detected in both reactors but with higher number of copies of the gene in the reactor that showed higher hydrogen production: the reactor sed with sludge of UASB reactor and using polyurethane foam as support material. To this reactor was coupled a methanogenic reactor fed with effluent from acidogenic reactor and operated with increasing OLR (1, 2, 5, 7, 14, 17 e 26,5 gCOD.Lreactor-1.day-1) decreasing the HRT (240, 96, 48, 32, 24, 16 and 12 hours). The acidogenic reactor was operated during 471 days with OLR of 120 g.COD.Lreactor-1.day-1, with HRT fixed at 2 hours, with continuous hydrogen production with a gross production of 7.60 LH2.day-1. The methanogenic reactor was operated for 251 days, with continuous methane production of up to 5.90LCH4.day-1. The COD removal efficiency using the two-stage system was approximately 90&#37; , with 10&#37; contribution by the acidogenic reactor and 80&#37; contribution by the methanogenic reactor. The acidogenic reactor achieved hydrogen yield per kg of applied molasses equal to 392 LH2.kgmolases-1. The methanogenic reactor achieved methane yield per kg of applied molasses equal to 387 LCH4.kgmolasses-1. For comparison and applicability purposes, the overall energy yield using the two stage reactor system was approximately 5.7 kWh.kgmolasses-1 (Acidogenic reactor 1.4 kWh.kgmolasses-1 and Methanogenic reactor 4.3 kWh.kgmolasses-1). The continuous production of H2 obtained in this study is related to the association of the hydrogen producer acids pathway established by the relevant literature (acetic and butyric) and the hydrogen production by the lactic acid pathway due to the microorganisms association established in the reactor. Metagenomic analysis by MiSeq Plataform revealed that hydrogen production was due the selection of microorganisms with functional redundancy mainly of Phyla Firmicutes, Proteobacteria and Thermotogae, such as Clostridium sensu stricto, Thermohydrogenium, Thermoanaerobacterium, Cellulosibacter (Firmicutes); Pseudomonas, Enterobacter, Shewanella and Petrobacter (Proteobacteria) and Fervidobacterium (Thermotogae). Genera of acid latic producers, such as Lactobacillus, Leuconostoc, Sporolactobacillus and Trichococcus, were also selected. From the scientific and technological point of view this study has taken another step towards the understanding of bioprocesses involving two stage anaerobic systems for a long term continuous production of H2 and CH4.